Применение инертных газов кратко

Обновлено: 04.07.2024

Инертные газы, которые еще называют благородными, занимают главную подгруппу восьмой группы периодической системы. Их насчитывается всего шесть: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), ксенон (Xe) и радон (Rn). Чтобы понять природу, для начала рассмотрим понятие инертности. Инертность – это слабая выраженность или отсутствие способности вступать в реакцию с другими химическими элементами. Вызвать химическую реакцию для образования новых связей у подобных веществ практически невозможно.

Соответственно, инертный газ – это редкий благородный одноатомный газ, обладающий высокой инертностью, которая обусловлена энергетически устойчивым внешним уровнем электронной оболочки атома. Например, у гелия в этой оболочке расположено два электрона, а у других благородных газов – по восемь. Этим объясняются их физические и химические свойства. Все инертные газы при нормальных условиях представляют собой бесцветные газы, не обладающие запахом и плохо растворимые в воде. Их температуры кипения и плавления увеличиваются сообразно увеличению размеров атомов.

До 1962 года ученые были уверены, что все благородные газы являются абсолютно инертными. Но канадский химик Н. Бартлетт смог доказать обратное, получив первое химическое соединение ксенона, так называемый гексафтороплатинат ксенона. Это соединение представляет собой твердое оранжевое вещество с кристаллической решеткой. В дальнейшем ряд соединений был значительно расширен.

Распространенность и образование в природе

Во Вселенной из благородных газов больше всего распространен гелий, а в земных условиях – аргон (по объему он занимает 0,934%). В очень маленьких количествах инертные газы имеются в горных породах и в газах природных горючих материалов, а в растворенном виде их можно найти в нефти и воде.

В природных условиях благородные газы могут образовываться как результат различных ядерных реакций. Например, источником радона служат радиоактивные препараты урана. Часть этих химических элементов имеет космогенное происхождение.

Все инертные газы, кроме родона, имеют ряд изотопов.

Запасы этих газов не уменьшаются. Только гелий постепенно, очень медленно, рассеивается в межзвездном пространстве.

Применение

Инертные газы нашли широкое применение в области электротехники. Аргон, ввиду своей неактивности и низкой теплопроводности, используется в смеси с азотом для наполнения электрических ламп. Аргоном и неоном наполняют трубки для световых реклам, при этом они светятся голубым, а неоновые – оранжево-красным.

Еще аргон используют в химической лабораторной практике. В промышленности он нашел свое применение для термической обработки легкоокисляемых металлов. Аргон создает защитную атмосферу, в которой можно производить сварку или резку редких и цветных металлов, плавку вольфрама, титана, циркония. Для контроля вентиляционных систем применяют радиоактивный изотоп аргона.

Криптон и ксенон обладают еще меньшей теплопроводностью, чем аргон, поэтому наполненные ими электрические лампы долговечнее и экономичнее, чем таковые, наполненные азотом или аргоном.

Водолазы дышат смесью гелия и кислорода, что позволяет значительно удлинить время их пребывания под водой и резко ослабляет болезненные явления, вызываемые изменением давления при подъеме на поверхность.

Жидкий гелий применяется в качестве хладоагента в различных исследованиях, поскольку температура кипения этого газа составляет -268,9°С.

Свойством полной инертности гелия пользуются для проведения сварки в его атмосфере, для производства сверхчистых металлов, хроматографии. А его высокая проницаемость позволила создать течеискатели в аппаратах низкого и высокого давления.

Благородных газов в природе всего 6: Неон, Криптон, Аргон, Ксенон, Гелий и Радон

Что такое инертные газы?

Благородные газы, известные в химии благодаря своему уникальному свойству не смешиваться с другими веществами, также часто называют инертными. Как можно судить из названия, “благородство” инертных газов не позволяет им взаимодействовать с более простыми субстанциями и даже друг с другом. Такая избирательность благородных газов вызвана их атомным строением, которое проявляется в замкнутой внешней электронной оболочке, не позволяющей радону, гелию, ксенону, аргону, криптону и неону обмениваться своими электронами с атомами других газов.

Самым распространенным инертным газом в природе считают аргон, который занимает почетное третье место по содержанию в атмосфере Земли после азота и кислорода. У аргона нет вкуса, запаха и цвета, однако именно этот газ считается одним из самых распространенных во Вселенной. Так, наличие этого газа наблюдается даже в некоторых планетарных туманностях и в составе некоторых звезд.

При нагревании в газоразрядной трубке аргон приобретает розовый оттенок

Самым редким благородным газом в природе считают ксенон, который несмотря на свою редкость, содержится в атмосфере Земли наряду с аргоном. Ксенон обладает наркотическими свойствами и часто применяется в медицине в качестве анестезирующего средства. Кроме того, согласно данным Всемирного антидопингового агентства, ингаляции этого редкого газа имеют допинговый эффект, влияющий на физическое состояние применяющих его спортсменов. Заполнение ксеноном легких человека приводит к временному понижению тембра голоса, что является эффектом, обратным применению гелия.

При нагревании ксенон светится фиолетовым цветом

Четверо остальных благородных газов — Радон, Гелий, Неон и Криптон — также обладают своими уникальными свойствами. Все они не имеют какого-либо специфического вкуса, запаха или цвета, однако присутствуют в атмосфере Земли в небольших количествах и важны для нашего дыхания. Так, гелий считается одним из самых распространенных элементов в космосе, а его наличие в атмосфере Солнца, в составе других звезд Млечного Пути и некоторых метеоритов подтверждено научными данными.

Если вам нравится данная статья, приглашаю вас присоединиться к нашему каналу на Яндекс.Дзен, где вы сможете найти еще больше полезной информации из мира популярной науки и техники.

Неон, светящийся при нагревании красноватым оттенком, получается из воздуха при его глубоком охлаждении. Из-за сравнительно небольшой концентрации этого инертного газа в атмосфере планеты, неон чаще всего получают в качестве побочного продукта при добыче аргона.

Радон — радиоактивный инертный газ, который может представлять опасность для человеческого здоровья. Газообразный радон способен светиться голубым или синим светом, постепенно облучая человека и даже приводя к онкологическим заболеваниям. Несмотря на это, в медицине часто применяются так называемые радоновые ванны, которые позволяют добиться положительного эффекта при лечении болезней центральной нервной системы.

Радоновое озеро в селе Лопухинка Ленинградской области

И наконец, последний благородный газ, который можно найти в природе — криптон. Это один из самых редких благородных газов во Вселенной. В отличии от остальных инертных газов, этот газ при определенных условиях может испускать резкий запах, схожий с запахом хлороформа. Воздействие криптона на человека и животных крайне мало изучено из-за невероятной редкости этого газа.

Где применяются благородные газы?

Самыми применяемыми человеком инертными газами считаются аргон, гелий и неон, которые используются повсеместно от физики до медицины. Так, гелий используется при сварке металлов и в качестве хладоносителя при проведении лабораторных экспериментов. Неон и аргон часто применяются при изготовлении ламп накаливания и в металлургии, при изготовлении алюминиевых сплавов.

Благодаря своим уникальным свойствам, благородные газы нашли свое применение в разных отраслях науки

Остальные благородные газы чаще всего используются в медицине. Как уже упоминалось выше, радон находит свое применение в медицине, а ксенон и криптон используются в качестве наполнителя осветительных ламп.

В сварке нередко применяются так называемые инертные газы. К ним относится группа химических элементов, у которых оказываются схожие свойства. Инертный газ благородный при нормальных условиях является одноатомным. Практически все они не обладают ни цветом, ни запахом. Характерной отличительной особенностью является очень низкая химическая реактивность. Они практически не вступают в реакцию с металлами, что и требуется для нормальной работы. Такие газы занимают первые 6 периодов и относятся к восьмой группе химических элементов в периодической таблице.

Свойства инертных газов можно объяснить по теории об атомных структурах. У них получаются полные электронные оболочки из валентных электронов. Это создает условия, в которых вещество может участвовать лишь в небольшом количестве химических реакций. Стоит отметить, что различия в температурах кипения и плавления практически у всех благородных газов менее 10 градусов Цельсия.

Что такое инертные газы?

При нагревании в газоразрядной трубке аргон приобретает розовый оттенок

При нагревании ксенон светится фиолетовым цветом

Радоновое озеро в селе Лопухинка Ленинградской области

Область применения

Свойства инертных газов делают их очень востребованными в сварочной сфере. Основными местами применения являются газовая и газово-дуговая сварка. Они выполняют роль защитной среды, которая отгораживает сварочную ванну с расплавленным металлом от негативного воздействия различных факторов, в том числе и воздушной среды. Как правило, они применяются вместе с техническим кислородом, так как он повышает температуру их горения. При использовании инертных газов швы получаются более надежными и качественными, так как снижается вероятность возникновения брака во время работы.

Вещества используются на строительных площадках при соединении металлоконструкций, в особенности, несущих частей. Ими удобнее работать с тонкими деталями, трубами и прочими объектами, которые сложно поддаются электрической сварке. В ремонтных мастерских по восстановлению автомобилей и прочей сложной техники именно сварка инертными газами является основным методом соединения деталей, так как она обладает деликатным отношением к материалу. В коммунальной сфере, где речь идет о ремонте труб и прочих вещей эти разновидности также используются. При производстве металлических изделий самого различного типа, особенно из цветных сложно свариваемых металлов, инертный газ благородный выступает основным сырьем для работы.

Открытие и список инертных газов

гелий (He);
неон (Ne);
аргон (Ar);
криптон (Kr);
ксенон (Xe);
радиоактивный радон (Rn).

Они довольно широко представлены во вселенной. По современным подсчетам космическая масса вселенной состоит на 76% из водорода, на 23% из гелия и только 1% приходится на другие элементы.

Водород и гелий ученые относят к элементам первичной материи вселенной. В атмосфере Земли благородных газов около одного процента. В основном это аргон. Их открытие — одна из увлекательнейших страниц истории науки.Содержание инертных газов в природе:

В космосе особенно много гелия, образующегося там из водорода в результате термоядерной реакции. После водорода, это самый распространенный элемент. На Земле гелий можно обнаружить в составе природных горючих газов.

Неон присутствует в атмосфере и в земной коре — 0,00005 г/т.
Аргон — это самый распространенный на планете инертный газ. (в земной коре его ничтожно мало, а в атмосфере почти один процент).
Криптон, ксенон и радон обнаруживается в земной атмосфере и в отдельных минералах, содержащих уран.
Радон относится к радиоактивным элементам, среди всех он один из самых тяжелых, он определяет степень естественной радиоактивности воздуха.

Благородные (инертные) газы

При обычных условиях — это газы без цвета, вкуса и запаха, плохо растворимые в воде, не возгораются при нормальных условиях, с очень низкой химической реактивностью. Их температуры плавления и кипения закономерно увеличиваются с увеличением атомного номера.

Среди всех благородных газов лишь у Rn нет стабильных изотопов и только он является радиоактивным химическим элементом.

Редкими (инертными) газами являются:

гелий (He) (атомный номер 2),
неон (Ne) (10),
аргон (Ar) (18),
криптон (Kr) (36),
ксенон (Xe) (54)
радиоактивный радон (Rn) (86).

В последнее время к этой группе также причисляют унуноктий (Uuo) (118).

Все инертные газы собой завершают соответствующий период в Периодической системе и имеют полностью завершенный, устойчивый внешний электронный уровень.

У инертных газов электронная конфигурация ns2np6 (у гелия 1s2) и они образуют VIIIА группу. С возрастанием порядкового номера увеличиваются радиусы атомов и их способность к поляризуемости, что приводит к увеличению межмолекулярных взаимодействий, к увеличению Тпл и Ткип, к улучшению растворимости газов в воде и других растворителях. Для инертных газов существуют такие известные группы соединений: молекулярные ионы, соединения включения, валентные соединения.

Почему благородные газы так названы?

В период открытия этих элементов для их обозначения употреблялось понятие инертные и благородные газы. Последнее понятие предложил Рамзай.

Оно образовалось по аналогии с названием металлов, входящих в группу семейства платины, которые в то время образовывали 8 группу.

На сегодняшний день 0 группа в периодической таблице расформирована, а ее представители перенаправлены в главную подгруппу 8 группы.

Чаще всего таким способом получают производные ксенона, радона и криптона.

Где применяются благородные газы?

Благодаря своим уникальным свойствам, благородные газы нашли свое применение в разных отраслях науки

Невидимость — как и путешествие во времени, телепортация, левитация и сверхскорость — является предметом обсуждения научной фантастики с самого ее появления….

Вселенная — волшебное окно времени, позволяющее нам заглянуть в прошлое. Чем дальше мы смотрим, тем дальше назад во времени мы видим. В отличие от наших мозг…

На сегодняшний день 21% воздуха, которым мы дышим, состоит из молекулярного кислорода. Но этот газ не всегда был в таком количестве, не всегда мог поддержива…

Цвета и спектры инертных газов

Цвета и спектры благородных газов. В первой строке таблицы изображены благородные газы в колбах, через которые пропущен ток, во второй — сам газ в трубке, в третьей — в трубках, которые изображают обозначение элемента в периодической таблице Менделеева.

Гелий	Неон	Аргон	Криптон	Ксенон

Распространенность инертных (редких) газов в природе

Из-за того, что инертные газы обладают химической инертностью, их довольно долго не получалось обнаружить, и их открытие состоялось лишь во 2-й половине XIX века.

Гелий – является вторым (после водорода) по распространенности элементом во Вселенной, в земной коре содержание гелия составляет лишь 1 · 10-6 масс. %. Гелий является продуктом радиоактивного распада и содержится в пустотах горных пород и в природном газе.

Все благородные газы являются составляющими воздуха. В 1 3м воздуха находится 9,3 л аргона, 18 мл неона, 5 мл гелия, 1 мл криптона и 0,09 мл ксенона. Солнце приблизительно на 10% состоит из гелия, образующийся из водорода по реакции ядерного синтеза:

(β+ — позитрон, — антинейтрино). В спектре излучения Солнца довольно интенсивно проявляются линии гелия, которые были впервые обнаружены в 1868 г. На Земле гелий был найден только в 1895 г. при спектральном анализе газов, выделяющихся при растворении в кислотах минерала клевеита U2О3. Уран, входящий в состав минерала, самопроизвольно распадается по уравнению:

238U → 234Th + 4He.

В небольшом количестве они присутствуют в воздухе и некоторых горных породах, а также в атмосферах некоторых планет-гигантов.

Промышленное использование инертных газов основано на их низкой химической активности или специфических физические свойствах.

Некоторые характеристики элементов VIIIА подгруппы (инертных газов)

Элемент	Радиус атома, нм	Первый потенциал ионизации, эВ	Tпл., K	Tкип., K	Относительная поляризуемость атома, усл. ед.	Энергия возбужденного электрона, эВ
Гелий, He	0,122	24,58	–	4,18	1	–
Неон, Ne	0,160	21,56	24	27,18	2	16,6
Аргон, Ar	0,192	15,76	34	97,29	3	11,5
Криптон, Kr	0,198	14,00	116	120,26	12	9,9
Ксенон, Xe	0,218	12,13	162	166,06	20	8,3

Уникальными физическими свойствами обладает гелий. Во первых, это — единственное из известных в природе веществ, которое остается жидким при самых низких температурах, вплоть до 0 К. Он кристаллизуется только под давлением 25 атм. Во-вторых, гелий имеет самую низкую из всех веществ температуру кипения. Наконец, самое интересное свойство гелия — сверхтекучесть. При температурах ниже 2,2 К жидкий 4Не существует в виде смеси двух жидкостей, одна из которых имеет обычные свойства, а другая — аномальные. Сверхтекучая компонента жидкого гелия имеет практически нулевую вязкость (в 10 млрд. раз меньше, чем у воды). Это вещество способно просачиваться через мельчайшие отверстия в пористом сосуде, оно самопроизвольно вытекает из непористого сосуда, поднимаясь вверх по его стенкам, и обладает сверхвысокой теплопроводностью.

Электронное строение благородных газов

Название	Электронная конфигурация	Радиус атома, нм	Потенциал ионизации, эВ	Степени окисления
Гелий Не	1s2	0,122	24,6
Неон Ne	[Не]2s22p6	0,160	21,6
Аргон Аr	[Nе]3s23p6	0,191	15,8
Криптон Кr	[Ar]3d104s24р6	0,198	14,0	+2,+4
Ксенон Хе	[Кr]4d105s25p6	0,209	12,1	+2,+4,+6,+8
Радон Rn	[Хе]4f145d106s26р6	—	10,8	+2,+4,+6

Какие благородные газы используются для светотехники?

В большей части конструкций, характеризующихся наличием источников света, имеются инертные газообразные элементы таблицы Менделеева. Во время прохождения по их верхним слоям электрического тока, масса начинает светиться. Оттенок свечения может быть разным:

неон обладает оранжево-красным свечением, из-за чего используется для создания световой рекламной продукции, газоразрядных лампочек;
криптон может окраситься в зеленоватый или грязно-белесый оттенок, а при высоком напряжении дает сине-белый свет: широкое применение получил у фото-художников с целью формирования специфического освещения;
гелий обладает синим, серым, зелено-голубым свечением, в некоторых ситуациях окрашивается в бело-оранжевый цвет: также применяется для создания освещения;
аргон дает фиолетовый голубой оттенок;
ксенон может давать серое, синеватое свечение: используется для фотовспышек, лампочек индикации;
радон характеризуется синим светом: не имеет применения в газосветильных приборах из-за отсутствия стабильных изотопов.

Указанные характеристики инертных элементов таблицы Менделеева позволяют их широко применять в практических целях.

Существует множество научных исследований, дающих возможность использования веществ в медицине, строительстве, промышленности, а также художественной деятельности.

Содержание

Химические свойства

Физические свойства

Инертные газы бесцветны и не имеют запаха. В небольшом количестве они присутствуют в воздухе и некоторых горных породах, а также в атмосферах некоторых планет-гигантов.

Биологическое действие

Инертные газы не ядовиты. Однако атмосфера с увеличенной концентрацией инертных газов и соответствующим снижением концентрации кислорода может оказывать удушающее действие на человека, вплоть до потери сознания и смерти [3] [4] . Известны случаи гибели людей при утечках аргона.

Вдыхание радиоактивного радона может вызвать рак.

Применение

Инертные газы имеют очень низкие точки кипения и плавления, что позволяет их использовать в качестве холодильного агента в криогенной технике. В частности, жидкий гелий, который кипит при 4,2 К (−268,95 °C; −452,11 °F), используется для магнитной сверхпроводимости, которая используется для магнитно-резонансной томографии и ядерного магнитного резонанса. Жидкий неон хотя и не достигает таких низких температур как жидкий гелий, также находит применение в криогенике, потому что у него охлаждающие свойства более чем в 40 раз выше, чем у жидкого гелия и более чем в три раза выше, чем у жидкого водорода.

Гелий используется как компонент дыхательного газа (дыхательной смеси) вместо азота, благодаря пониженной растворимости в жидкостях, особенно в липидах. Газы поглощаются кровью и биологическими тканями, когда они находятся под давлением, как например в подводном плавании, что является причиной эффекта, известного как азотное отравление. Благодаря меньшей растворимости, маленький гелий задерживается клеточной мембраной, и поэтому гелий используется в дыхательных смесях, таких как тримикс и гелиокс, уменьшая наркотический эффект газов, возникающий на глубине. Пониженная растворимость гелия даёт другие выгоды в условии, известном как декомпрессионная болезнь. Уменьшение остатка растворённого газа в теле означает, что меньшее количество газовых пузырьков образуется во время всплытия. Другой инертный газ, аргон, рассматривается как лучший выбор для использования в качестве прослойки к сухому костюму [6] для подводного плавания, а также в больших количествах используется для обработки жидкой стали.

После крушения дирижабля Гинденбург в 1937, гелий заменил водород в качестве поднимающего газа в дирижаблях и воздушных шарах благодаря лёгкости и невоспламеняемости, несмотря на 8,6 % уменьшение плавучести (buoyancy).

Читайте также: