"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Лёвкин А.Н., Шаталов М.А.
Благородные газы — элементы 18-й группы, атомы которых обычно существуют поодиночке и редко вступают в реакции. Завершённая внешняя электронная оболочка объясняет их низкую химическую активность, а слабое притяжение между атомами — низкие температуры кипения и плавления. Гелий, неон и аргон используют в технике и освещении; ксенон образует соединения, а радиоактивный радон требует особых мер безопасности. Свойства группы меняются сверху вниз вместе с размером атомов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Благородные газы — элементы 18-й группы периодической системы и простые вещества, образованные их одноатомными газами. К ним относят гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Название связано с их малой склонностью вступать в реакции, но не означает полной неспособности образовывать соединения.
Химическая инертность — крайне низкая способность вещества вступать в химические реакции. Это не абсолютный запрет, а характеристика того, насколько трудно веществу реагировать при обычных условиях. Понятие помогает сравнивать химическую активность элементов и не путать низкую активность с невозможностью реакции.
Одноатомный газ — газ, частицы которого представлены отдельными атомами, а не молекулами. Поэтому простое вещество гелий записывают формулой He, а не He₂: знак элемента одновременно обозначает одну частицу газа. Это определение нужно учитывать при записи формул и расчётах количества вещества.
Электронная конфигурация — распределение электронов атома по энергетическим уровням и подуровням. Например, запись 1s² 2s² показывает, на каких подуровнях находятся электроны гелия. По конфигурации можно определить число электронов на внешнем уровне и понять, почему атом устойчив или способен вступать в реакции.
Гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон стоят в 18-й группе, справа в периодической системе; каждый следующий элемент находится ниже предыдущего. Сверху вниз появляются новые электронные уровни, поэтому увеличиваются размер атома и его масса. Наружные электроны у тяжёлых атомов дальше от ядра, а электронное облако легче деформируется — это называют большей поляризуемостью. Такая закономерность помогает объяснить и рост межатомного притяжения, и постепенное увеличение химической активности группы.
У большинства благородных газов внешний уровень содержит восемь электронов, а у гелия первый уровень завершён двумя. Завершённая оболочка — устойчивое состояние: чтобы отдать электрон, атому пришлось бы затратить много энергии, а присоединение ещё одного электрона обычно невыгодно. Поэтому атомам редко удаётся образовать химические связи, и благородные газы малоактивны. У тяжёлых атомов внешние электроны удерживаются слабее, что делает реакции возможнее, но не превращает их в активные вещества.
В обычных условиях благородные газы состоят из отдельных атомов: их внешние оболочки и без образования связи достаточно устойчивы, поэтому объединение в молекулу обычно не даёт энергетической выгоды. Между нейтральными атомами действуют лишь слабые силы притяжения, намного слабее химических связей. Чтобы расплавить вещество или превратить его в кипящий газ, нужно преодолеть это межатомное притяжение, поэтому температуры плавления и кипения низкие. В группе эти температуры в целом повышаются: крупные атомы легче поляризуются и сильнее притягиваются друг к другу.
Содержание газов в природе неодинаково: аргон заметно присутствует в атмосфере, тогда как гелия и особенно радона в воздухе мало. Гелий накапливается в некоторых месторождениях природного газа и извлекается при его переработке; аргон, неон, криптон и ксенон получают разделением воздуха, используя различия в температурах кипения. Радон не добывают так же, как атмосферные газы: он образуется при радиоактивном распаде элементов в горных породах. Источник определяет и способ получения, и меры предосторожности при работе с веществом.
Аргон создаёт защитную среду при сварке, гелий применяют в криогенной технике и газовых смесях, неон — в световых трубках, а криптон и ксенон — в специальных лампах и источниках света. Эти применения используют физические свойства газов, а не их химическую активность. Соединения ксенона, например фториды, показывают, что инертность не абсолютна: большой, легко поляризуемый атом ксенона может вступать в реакцию с сильным окислителем фтором. Радон тоже не следует считать безвредным: его радиоактивность опасна независимо от химической активности.
| Характеристика | Гелий | Неон | Аргон | Криптон | Ксенон | Радон |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Порядковый номер и электронная конфигурация | 2; 1s² | 10; 1s² 2s² 2p⁶ | 18; [Ne] 3s² 3p⁶ | 36; [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ | 54; [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ | 86; [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁶ |
| Состояние и цвет простого вещества | Бесцветный газ | Бесцветный газ | Бесцветный газ | Бесцветный газ | Бесцветный газ | Бесцветный радиоактивный газ |
| Температура кипения и изменение этого показателя в группе | Около −269 °C | Около −246 °C | Около −186 °C | Около −153 °C | Около −108 °C | Около −62 °C; в целом растёт вниз по группе |
| Распространённость и источник получения | Встречается в природном газе; выделяют при его переработке | Мало в воздухе; получают разделением воздуха | Есть в атмосфере; выделяют из воздуха | Следовые количества в воздухе; получают разделением воздуха | Очень мало в воздухе; получают разделением воздуха | Образуется при радиоактивных превращениях |
| Химическая активность | Практически инертен | Практически инертен | Практически инертен | Очень низкая | Низкая; образует соединения | Низкая; опасен радиоактивностью |
| Основное применение | Криогенная техника, газовые смеси | Световые трубки | Защитная среда при сварке | Специальные лампы | Лампы и источники света | Специального бытового применения нет |
| Особые свойства и меры безопасности | Лёгкий; в замкнутых помещениях может вытеснять кислород | При электрическом разряде светится красно-оранжевым | Тяжелее воздуха; предотвращать вытеснение кислорода | Тяжелее воздуха; применять с учётом свойств газа | Тяжёлый атом; возможны соединения с фтором | Радиоактивен; важны вентиляция и контроль радона |
Таблица позволяет сравнить атомные характеристики, источники и практическое использование элементов в одной группе. Последовательность температур кипения показывает общий рост показателя вниз по группе, а строка активности — что правило об инертности имеет исключения. Радон оценивают отдельно: его химическая активность мала, но радиоактивность требует контроля.
Определите благородный газ с конфигурацией 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, его положение в периодической системе и число электронов на внешнем уровне. Начните с подсчёта всех электронов: сумма показывает порядковый номер нейтрального атома. Затем число занятых уровней укажет период, а заполненный внешний уровень — принадлежность к 18-й группе.
Ответ: аргон, 3-й период, 18-я группа; на внешнем уровне 8 электронов. Проверка: число электронов равно порядковому номеру, а конфигурация заканчивается заполненным p-подуровнем.
Какую массу и объём при н. у. занимает аргон количеством вещества 0,50 моль? Количество вещества уже дано, поэтому массу находим через молярную массу, а объём — через молярный объём газа. Для аргона M(Ar) ≈ 40 г/моль, а при нормальных условиях Vₘ ≈ 22,4 л/моль.
Ответ: масса аргона равна 20 г, объём при н. у. — 11,2 л. Важно применять молярный объём именно при указанных условиях: при другой температуре и давлении он будет другим.
Составьте уравнение образования дифторида ксенона XeF₂ и объясните, почему ксенон способен реагировать, несмотря на низкую химическую активность. В формуле продукта на один атом ксенона приходятся два атома фтора, поэтому для баланса нужны две молекулы F₂. Возможность реакции связана с тяжёлым, поляризуемым атомом ксенона и сильными окислительными свойствами фтора.
Ответ: Xe + F₂ → XeF₂. Пример показывает, что низкая активность благородных газов не равна абсолютной инертности, особенно для тяжёлых элементов группы.
Считать благородные газы абсолютно инертными. Из-за общего школьного правила легко забыть, что известны соединения ксенона и некоторых других тяжёлых газов. Проверка проста: замените утверждение «не реагируют» на «почти не реагируют» и вспомните XeF₂.
Записывать He₂, Ne₂ или Ar₂ как формулы простых веществ. Так ошибаются, перенося строение обычных молекулярных газов на благородные газы. В обычных условиях их частицы — отдельные атомы, поэтому формулы простых веществ He, Ne и Ar; проверьте, не приписали ли вы молекуле связь без оснований.
Считать внешнюю оболочку гелия такой же, как у остальных газов. У большинства завершённый внешний уровень содержит восемь электронов, а у гелия заполнен только первый уровень с двумя. Ошибка возникает, если правило «восемь электронов» применяют без учёта уровня. Проверяйте электронную конфигурацию: у He это 1s².
Считать радон безопасным из-за низкой химической активности. Это смешивает химическую опасность с радиационной: радон радиоактивен и может накапливаться в зданиях. Проверка — отдельно оценить способность реагировать и вид излучения; низкая активность не отменяет необходимости вентиляции и контроля радона.
Для понимания темы нужны строение атома, электронные конфигурации и периодический закон: они объясняют завершённость оболочек и изменения свойств в группе. Далее эти знания помогают разбирать химическую связь, окислительно-восстановительные процессы и получение технических газов. Радон связывает химию с радиоактивностью, ядерными превращениями, экологией и радиационной безопасностью. Его пример показывает, что оценка вещества включает не только химические свойства, но и физические риски.
Почему благородные газы почти не вступают в химические реакции?
Их внешняя электронная оболочка завершена, поэтому атомам энергетически невыгодно отдавать, принимать или обобществлять электроны. Однако слово «почти» существенно: для некоторых тяжёлых благородных газов известны соединения.
Почему гелий не образует обычных двухатомных молекул?
У атома гелия единственный энергетический уровень заполнен двумя электронами и уже устойчив. Образование связи в He₂ не даёт достаточного выигрыша в энергии, поэтому при обычных условиях гелий состоит из отдельных атомов.
Как изменяются свойства благородных газов сверху вниз в группе?
Увеличиваются порядковый номер, масса и радиус атома, а электронная оболочка становится более поляризуемой. Температуры кипения и плавления в целом растут, оставаясь низкими; химическая активность также возрастает.
Почему ксенон способен образовывать соединения, а гелий практически нет?
У крупного атома ксенона внешние электроны удерживаются слабее и электронная оболочка легче деформируется. Сильный окислитель фтор может вступать с ним в реакцию, тогда как маленькая и устойчивая оболочка гелия почти не располагает к образованию обычных связей.
Чем опасен радон и где он может накапливаться?
Радон радиоактивен, и продукты его распада могут облучать ткани организма при вдыхании. Газ способен проникать из грунта и горных пород в подвалы и нижние этажи зданий, особенно если там слабая вентиляция.
Благородные газы. (Дополнительный материал к главе 7)
