CĒLGĀZES: RAKSTURLIELUMI, KONFIGURĀCIJA, REAKCIJAS, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Par Cēlgāzes ir elementu kopums atrast ko integrējot grupa 18 no periodiskās tabulas. Gadu gaitā tos sauc arī par retām vai inertām gāzēm, abiem neprecīziem nosaukumiem; daži no tiem ir ļoti bagātīgi gan planētas Zeme, gan tās iekšpusē, un ārkārtējos apstākļos tie arī spēj reaģēt.

Tā septiņi elementi veido, iespējams, unikālāko periodiskās grupas grupu, kuras īpašības un zemā reaktivitāte ir tikpat iespaidīgas kā cēlmetālu īpašībām. Starp tiem parāde ir inerts elements (neons), otrais visbagātākais no kosmosa (hēlijs), kā arī vissmagākais un nestabilākais (oganesons).

Piecu cēlu gāzu mirdzums stikla flakonos vai ampulās. Avots: Jauns darbs Alchemist-hp (saruna) www.pse-mendelejew.de); oriģinālie atsevišķie attēli: Jurii, http://images-of-elements.com.

Cēlgāzes ir aukstākās vielas dabā; pirms kondensācijas izturēt ļoti zemas temperatūras. Vēl grūtāk ir tā sasalšana, jo tā starpmolekulārie spēki, kuru pamatā ir Londonas izkliede, un tā atomu polarizējamība ir pārāk vāji, lai tos vienkārši saglabātu saliedētus kristālā.

Zemās reaģētspējas dēļ tās ir samērā drošas gāzes, kuras var uzglabāt, un tās nerada pārāk daudz risku. Tomēr tie var izspiest skābekli no plaušām un izraisīt nosmakšanu, ja to pārāk ieelpo. No otras puses, divi tās locekļi ir ļoti radioaktīvi elementi un tāpēc ir nāvējoši veselībai.

Cēloņu gāzu zemā reaktivitāte tiek izmantota arī, lai nodrošinātu reakcijas ar inertu atmosfēru; tā, ka neviens reaģents vai produkts nepakļauj oksidēšanās un ietekmē sintēzes veiktspējas risku. Tas veicina arī elektriskās loka metināšanas procesus.

No otras puses, šķidrā stāvoklī tie ir lieliski kriogēni aukstumnesēji, kas garantē zemāko temperatūru, kas ir nepieciešama ļoti enerģētisku iekārtu pareizai darbībai vai dažiem materiāliem, lai sasniegtu supravadītspējas stāvokļus.

Cēlgāzu raksturojums

Labajā pusē (izcelts oranžā krāsā) ir cēlu gāzu grupa. No augšas uz leju: Hēlijs (He), neons (Ne), argons (Ar), kriptons (Kr), ksenons (Xe) un radons (Rn).

Iespējams, ka cēlgāzes ir elementi, kuriem ir kopīgākās īpašības - gan fizikālās, gan ķīmiskās. Tās galvenās īpašības ir:

- visi no tiem ir bezkrāsaini, bez smaržas un bez garšas; bet, kad tie ir ievietoti ampulās zemā spiedienā un saņem elektrisko izlādi, tie jonizē un izdala krāsainas gaismas (augšējais attēls).

- Katrai cēlajai gāzei ir sava gaisma un spektrs.

- Tās ir monatomijas sugas, vienīgās periodiskajā tabulā, kas var pastāvēt to attiecīgajos fiziskajos stāvokļos bez ķīmisku saišu piedalīšanās (jo metāli ir savienoti ar metālu savienojumu). Tāpēc tie ir lieliski piemēroti gāzu īpašību izpētei, jo tie ļoti labi pielāgojas ideālas gāzes sfēriskajam modelim.

- Tie parasti ir elementi ar zemāko kušanas un viršanas temperatūru; tik daudz, ka hēlijs nevar pat kristalizēties pie absolūtas nulles, nepalielinot spiedienu.

- No visiem elementiem tie ir vismazāk reaģējoši, pat mazāk nekā cēlmetāli.

- Viņu jonizācijas enerģijas, kā arī elektronegativitātes ir visaugstākās, pieņemot, ka tās veido tīri kovalentas saites.

- Viņu atomu rādiuss ir arī mazākais, jo tie atrodas katra perioda labajā pusē.

7 cēlgāzes

Septiņas cēlgāzes no augšas uz leju nolaižas caur periodiskās tabulas 18. grupu:

-Helio, Viņš

-Neon, Ne

-Argon, Ar

-Kriptons, Kr

-Ksenons, Xe

-Radon, Rn

-Oganesons, Oga

Visu to, izņemot nestabilo un mākslīgo oganesonu, fizikālās un ķīmiskās īpašības ir izpētītas. Tiek uzskatīts, ka Oganesons lielās atomu masas dēļ pat nav gāze, bet drīzāk cēls šķidrums vai cieta viela. Par radonu ir maz zināma tā radioaktivitāte, salīdzinot ar hēliju vai argonu.

Elektroniskā konfigurācija

Tika sacīts, ka cēlgāzēm to valences apvalks ir pilnībā piepildīts. Tik daudz, ka to elektroniskās konfigurācijas tiek izmantotas, lai vienkāršotu citu elementu konfigurāciju, izmantojot to simbolus, kas ir iekavās (,,, utt.). Tās elektroniskās konfigurācijas ir:

-Hēlijs: 1s ² , (2 elektroni)

-Neons: 1s ² 2s ² 2p ⁶ , (10 elektroni)

-Argons: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ , (18 elektroni)

-Kriptons: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ , (36 elektroni)

-Ksenons: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶ , (54 elektroni)

-Radons: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 4f ¹⁴ 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰ 6s ² 6p ⁶ , (86 elektroni)

Svarīgi ir nevis tos atcerēties, bet detalizēt, ka tie beidzas ar ns ² np ⁶ : valences oktets. Tāpat tiek atzīts, ka tā atomos ir daudz elektronu, kuri lielā efektīvā kodolieroča dēļ ir mazākā tilpumā, salīdzinot ar citiem elementiem; tas ir, to atomu rādiuss ir mazāks.

Tāpēc to elektroniski blīvajiem atomu rādiusiem piemīt ķīmiska īpašība, kas ir kopīga visām cēlgāzēm: tās ir grūti polarizēt.

Polarizējamība

Cēlgāzes var iedomāties par elektronu mākoņu sfērām. Nolaižoties caur 18. grupu, tā rādiusi palielinās un tādā pašā veidā palielinās attālums, kas atdala kodolu no valences elektroniem (ns ² np ⁶ ).

Šie elektroni kodolu izjūt mazāk pievilcīgu spēku, viņi var kustēties brīvāk; sfēras vieglāk deformējas, jo lielākas tās ir. Šādu kustību rezultātā parādās zema un augsta elektronu blīvuma reģioni: δ + un δ-stabi.

Kad cēlgāzes atoms ir polarizējies, tas kļūst par momentānu dipolu, kas spēj izraisīt citu blakus esošajam atomam; tas ir, mēs esam Londonas izkliedējošo spēku priekšā.

Tieši tāpēc starpmolekulārie spēki palielinās no hēlija līdz radonam, atspoguļojoties to pieaugošajās viršanas temperatūrās; un ne tikai tas, bet arī palielinās to reaktivitāte.

Tā kā atomi kļūst polarizētāki, pastāv lielāka iespēja, ka to valences elektroni piedalās ķīmiskās reakcijās, pēc kurām rodas cēlgāzu savienojumi.

Reakcijas

Hēlijs un neons

Starp cēlgāzēm vismazāk reaģējošie ir hēlijs un neons. Faktiski neons ir visne inertais elements no visiem, pat ja tā elektronegativitāte (kovalento saišu veidošanās) pārsniedz fluora.

Neviens no tā savienojumiem nav zināms sauszemes apstākļos; tomēr Kosmosā ir diezgan iespējams, ka pastāv molekulārais jons HeH ⁺ . Tāpat, kad tie ir elektroniski ierosināti, tie spēj mijiedarboties ar gāzveida atomiem un veidot īslaicīgas neitrālas molekulas, ko sauc par eksimeeriem; piemēram, HeNe, CsNe un Ne ₂ .

No otras puses, kaut arī formālā nozīmē tos neuzskata par savienojumiem, He un Ne atomi var radīt Van der Walls molekulas; tas ir, savienojumi, kurus "kopā" ​​tur vienkārši izkliedējoši spēki. Piemēram: Ag ₃ He, HeCO, HeI ₂ , CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ un NeBeCO ₃ .

Līdzīgi šādas Van der Walls molekulas var pastāvēt, pateicoties vājai jonu izraisītajai dipola mijiedarbībai; piemēram: Na ⁺ He ₈ , Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ un Cu ⁺ Ne ₁₂ . Ņemiet vērā, ka šīm molekulām ir pat iespējams kļūt par atomu aglomerātiem: kopām.

Visbeidzot, Viņš un Ne atomus var "ieslodzīt" vai interkalēt fullerēnu vai klatrātu endoedriskajos kompleksos, nereaģējot; piemēram: ₆₀ , (N ₂ ) ₆ Ne ₇ , He (H ₂ O) ₆ un Ne • NH ₄ Fe (HCOO) ₃ .

Argons un kriptons

Cēlgāzu argons un kriptons, jo tie ir vairāk polarizējami, mēdz saturēt vairāk "savienojumu" nekā hēlijs un neons. Tomēr daļa no tiem ir stabilāki un raksturīgāki, jo tiem ir ilgāks dzīves ilgums. Starp dažiem no tiem ir HArF un molekulārais jons ArH ⁺ , kas atrodas miglājos kosmisko staru ietekmē.

No kriptona sākas iespēja iegūt savienojumus ekstremālos, bet ilgtspējīgos apstākļos. Šī gāze reaģē ar fluoru saskaņā ar šādu ķīmisko vienādojumu:

Kr + F ₂ → KrF ₂

Ņemiet vērā, ka kriptons, pateicoties fluoram, iegūst oksidācijas numuru +2 (Kr ²⁺ ). KrF ₂ faktiski var sintezēt tirgojamā daudzumā kā oksidējošu un fluorizējošu līdzekli.

Argons un kriptons var izveidot plašu klatrātu, endoedrisko kompleksu, Van der Walls molekulu un dažu savienojumu repertuāru, kas gaida atklāšanu pēc paredzamās eksistences.

Ksenons un radons

Ksenons ir cieto gāzu reaģētspējas karalis. Tas veido patiesi stabilus, tirgojamus un raksturīgus savienojumus. Faktiski tā reaģētspēja atbilstošos apstākļos atgādina skābekļa reaktivitāti.

Viņa pirmais sintezētais savienojums bija "XePtF ₆ ", 1962. gadā izveidoja Neils Bartlets. Saskaņā ar literatūru šis sāls faktiski sastāvēja no citu ksenona un platīna citu fluorētu sāļu sarežģīta maisījuma.

Tomēr tas bija vairāk nekā pietiekami, lai pierādītu afinitāti starp ksenonu un fluoru. Starp dažiem no šiem savienojumiem mums ir: XeF ₂ , XeF ₄ , XeF ₆ un ^{+ -} . Kad XeF ₆ izšķīst ūdenī, tas rada oksīdu:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

Šī XeO ₃ izcelsme var būt sugas, kas pazīstamas kā ksenatos (HXeO ₄ ^- ) vai ksenskābe (H ₂ XeO ₄ ). Ksenāti, kas nesamērīgi ar perksenātiem (XeO ₆ ⁴ ); un, ja barotne pēc tam tiek paskābināta, peroksēnskābē (H ₄ XeO ₆ ), kas dehidrēta līdz ksenona tetroksīdam (XeO ₄ ):

H ₄ XeO ₆ → 2 H ₂ O + XeO ₄

Radonam jābūt reaktīvākajam no cēlgāzēm; Bet tas ir tik radioaktīvs, ka diez vai ir laiks reaģēt pirms sadalīšanās. Vienīgie pilnībā sintezētie savienojumi ir tā fluorīds (RnF ₂ ) un oksīds (RnO ₃ ).

Ražošana

Gaisa sašķidrināšana

Cēlgāzes kļūst bagātīgākas Visumā, kad mēs nolaižamies caur 18. grupu. Tomēr atmosfērā hēlija ir maz, jo atšķirībā no citām gāzēm Zemes gravitācijas lauks to nevar noturēt. Tāpēc tas netika atklāts gaisā, bet gan saulē.

No otras puses, gaisā ir ievērojams daudzums argona, kas rodas no radioaktīvā izotopa ⁴⁰ K. radioaktīvās sabrukšanas. Gaiss ir vissvarīgākais dabīgais argona, neona, kriptoņa un ksenona avots uz planētas.

Lai tos ražotu, gaiss vispirms jāsašķidrina tā, lai tas kondensējas šķidrumā. Pēc tam šis šķidrums tiek frakcionēti destilēts, tādējādi atdalot katru no tā maisījuma komponentiem (N ₂ , O ₂ , CO ₂ , Ar utt.).

Atkarībā no tā, cik zemai jābūt temperatūrai un gāzes pārpilnībai, tās cenas palielinās, klasificējot ksenonu kā visdārgāko, bet hēliju - par lētāko.

Dabasgāzes un radioaktīvo minerālu destilācija

Hēliju savukārt iegūst no citas frakcionētas destilācijas; bet ne no gaisa, bet no dabasgāzes, kas bagātināta ar hēliju, pateicoties alfa daļiņu atbrīvošanai no radioaktīvā torija un urāna minerāliem.

Tāpat radons ir "dzimis" no attiecīgajos minerālos esošā rāda radioaktīvās sabrukšanas; taču to zemā pārpalikuma un Rn atomu īsā eliminācijas pusperioda dēļ to pārpilnība ir niecīga salīdzinājumā ar radniecīgajiem radītājiem (pārējām cēlgāzēm).

Visbeidzot, oganesons ir ļoti radioaktīva, ultramassiska, cilvēka radīta cēla “gāze”, kas laboratorijā kontrolējamos apstākļos īslaicīgi var eksistēt.

Briesmas

Cēlgāzu galvenais risks ir tāds, ka tās ierobežo cilvēka skābekļa izmantošanu, īpaši, ja rodas atmosfēra ar augstu to koncentrāciju. Tāpēc nav ieteicams tos pārmērīgi ieelpot.

Amerikas Savienotajās Valstīs ar urānu bagātā augsnē ir konstatēta augsta radona koncentrācija, kas radioaktīvo īpašību dēļ varētu būt bīstama veselībai.

Lietojumprogrammas

Rūpniecība

Hēlijs un argons tiek izmantoti, lai izveidotu inertu atmosfēru aizsardzībai metināšanas un griešanas laikā. Turklāt tos izmanto silīcija pusvadītāju ražošanā. Hēlijs tiek izmantots kā uzpildes gāze termometros.

Argons kombinācijā ar slāpekli tiek izmantots kvēlspuldžu ražošanā. Kriptonu, kas sajaukts ar halogēniem, piemēram, bromu un jodu, izmanto izlādes spuldzēs. Neons tiek izmantots gaismas zīmēs, sajaukts ar fosforām un citām gāzēm, lai iegūtu sarkano krāsu.

Ksenonu lieto loka lampās, kas izstaro gaismu, kas atgādina dienasgaismu, un to izmanto automašīnu lukturos un projektoros. Cēlgāzes sajauc ar halogēniem, iegūstot ArF, KrF vai XeCl, ko izmanto eksimēru lāzeru ražošanā.

Šis lāzera tips rada īsviļņu ultravioleto gaismu, kas rada augstas precizitātes attēlus un tiek izmantots integrēto shēmu ražošanā. Hēlijs un neons tiek izmantoti kā kriogēnas aukstumnesēju gāzes.

Baloni un elpošanas tvertnes

Hēlijs tiek izmantots kā slāpekļa aizstājējs elpceļu gāzu maisījumā, ņemot vērā tā zemo šķīdību organismā. Tas novērš burbuļu veidošanos dekompresijas posmā pacelšanās laikā, papildus novēršot slāpekļa narkozi.

Hēlijs ir aizstājis ūdeņradi kā gāzi, kas ļauj pacelt dirižabļus un karstā gaisa balonus, jo tā ir viegla un neuzliesmojoša gāze.

Medicīna

Hēlijs tiek izmantots supravadošo magnētu ražošanā, ko izmanto kodolmagnētiskās rezonanses iekārtās - daudzfunkcionālu instrumentu medicīnā.

Kriptonu izmanto halogēna lampās, ko izmanto acu lāzera ķirurģijā un angioplastikā. Hēliju lieto, lai atvieglotu elpošanu astmatiskiem pacientiem.

Ksenons tiek izmantots kā anestēzijas līdzeklis tā augstās lipīdu šķīdības dēļ, un tiek uzskatīts, ka tas būs nākotnes anestēzijas līdzeklis. Ksenonu izmanto arī plaušu medicīniskajā attēlveidošanā.

Radons, radioaktīvā cēlgāze, tiek izmantota staru terapijā dažu vēža veidu ārstēšanai.

Citi

Argonu izmanto inertu atmosfēru slāpekli aizvietojošu savienojumu sintēzē. Hēlijs tiek izmantots kā nesējgāze gāzu hromatogrāfijā, kā arī Geigera skaitītājos radiācijas mērīšanai.

Atsauces

1. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
2. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. (2008). Ķīmija. (8. izd.). CENGAGE mācīšanās.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. gada 06. jūnijs). Cēlu gāzu īpašības, lietojumi un avoti. Atgūts no: domaco.com
4. Wikipedia. (2019. gads). Cēlgāze. Atgūts no: en.wikipedia.org
5. Filips Ballis. (2012, 18. janvāris). Neiespējama ķīmija: liekot cēlgāzēm darboties. Atgūts no: newscientist.com
6. Profesore Patrīcija Šapleja. (2011). Cēlgāzu ķīmija. Atgūts no: butane.chem.uiuc.edu
7. Gerijs J. Šrobilgens. (2019. gada 28. februāris). Cēlgāze. Encyclopædia Britannica. Atgūts no: britannica.com