ترجمه فارسی در آخر مقاله
برگرفته از سایت
From Wikipedia, the free encyclopedia
Noble gas
Contents
Introduction
History
Physical and atomic properties
3 Chemical properties
3.1 Noble gas notation
3.2 Compounds
Occurrence and production
Applications
References
Introduction
The noble gases make a group of chemical elements with similar properties: under standard conditions, they are all odorless, colorless, monatomic gases with very low chemical reactivity. The six noble gases that occur naturally are helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), and the radioactive radon (Rn).
For the first six periods of the periodic table, the noble gases are exactly the members of group 18 of the periodic table. It is possible that due to relativistic effects, the group 14 element flerovium exhibits some noble-gas-like properties,[1] instead of the group 18 element ununoctium.[2] Noble gases are typically highly unreactive except when under particular extreme conditions. The inertness of noble gases makes them very suitable in applications where reactions are not wanted. For example: argon is used in lightbulbs to prevent the hot tungsten filament from oxidizing; also, helium is breathed by deep-sea divers to prevent oxygen and nitrogen toxicity.
The properties of the noble gases can be well explained by modern theories of atomic structure: their outer shell of valence electrons is considered to be "full", giving them little tendency to participate in chemical reactions, and it has been possible to prepare only a few hundred noble gas compounds. The melting and boiling points for a given noble gas are close together, differing by less than 10 °C (18 °F); that is, they are liquids over only a small temperature range.
Neon, argon, krypton, and xenon are obtained from air in an air separation unit using the methods of liquefaction of gases and fractional distillation. Helium is sourced from natural gas fields which have high concentrations of helium in the natural gas, using cryogenic gas separation techniques, and radon is usually isolated from the radioactive decay of dissolved radium compounds. Noble gases have several important applications in industries such as lighting, welding, and space exploration. A helium-oxygen breathing gas is often used by deep-sea divers at depths of seawater over 55 m (180 ft) to keep the diver from experiencing oxygen toxemia, the lethal effect of high-pressure oxygen, and nitrogen narcosis, the distracting narcotic effect of the nitrogen in air beyond this partial-pressure threshold. After the risks caused by the flammability of hydrogen became apparent, it was replaced with helium in blimps and balloons.
History
Noble gas is translated from the German noun Edelgas, first used in 1898 by Hugo Erdmann[3] to indicate their extremely low level of reactivity. The name makes an analogy to the term "noble metals", which also have low reactivity. The noble gases have also been referred to as inert gases, but this label is deprecated as many noble gas compounds are now known.[4] Rare gases is another term that was used,[5] but this is also inaccurate because argon forms a fairly considerable part (0.94% by volume, 1.3% by mass) of the Earth's atmosphere.[6]
Pierre Janssen and Joseph Norman Lockyer discovered a new element on August 18, 1868 while looking at the chromosphere of the Sun, and named it helium after the Greek word for the Sun, ήλιος (ílios or helios).[7] No chemical analysis was possible at the time, but helium was later found to be a noble gas. Before them, in 1784, the English chemist and physicist Henry Cavendish had discovered that air contains a small proportion of a substance less reactive than nitrogen.[8] A century later, in 1895, Lord Rayleigh discovered that samples of nitrogen from the air were of a different density than nitrogen resulting from chemical reactions. Along with Scottish scientist William Ramsay at University College, London, Lord Rayleigh theorized that the nitrogen extracted from air was mixed with another gas, leading to an experiment that successfully isolated a new element, argon, from the Greek word αργός (argós, "inactive").[8] With this discovery, they realized an entire class of gases was missing from the periodic table. During his search for argon, Ramsay also managed to isolate helium for the first time while heating cleveite, a mineral. In 1902, having accepted the evidence for the elements helium and argon, Dmitri Mendeleev included these noble gases as group 0 in his arrangement of the elements, which would later become the periodic table.[9]
Ramsay continued to search for these gases using the method of fractional distillation to separate liquid air into several components. In 1898, he discovered the elements krypton, neon, and xenon, and named them after the Greek words κρυπτός (kryptós, "hidden"), νέος (néos, "new"), and ξένος (xénos, "stranger"), respectively. Radon was first identified in 1898 by Friedrich Ernst Dorn,[10] and was named radium emanation, but was not considered a noble gas until 1904 when its characteristics were found to be similar to those of other noble gases.[11] Rayleigh and Ramsay received the 1904 Nobel Prizes in Physics and in Chemistry, respectively, for their discovery of the noble gases;[12][13] in the words of J. E. Cederblom, then president of the Royal Swedish Academy of Sciences, "the discovery of an entirely new group of elements, of which no single representative had been known with any certainty, is something utterly unique in the history of chemistry, being intrinsically an advance in science of peculiar significance".[13]
The discovery of the noble gases aided in the development of a general understanding of atomic structure. In 1895, French chemist Henri Moissan attempted to form a reaction between fluorine, the most electronegative element, and argon, one of the noble gases, but failed. Scientists were unable to prepare compounds of argon until the end of the 20th century, but these attempts helped to develop new theories of atomic structure. Learning from these experiments, Danish physicist Niels Bohr proposed in 1913 that the electrons in atoms are arranged in shells surrounding the nucleus, and that for all noble gases except helium the outermost shell always contains eight electrons.[11] In 1916, Gilbert N. Lewis formulated the octet rule, which concluded an octet of electrons in the outer shell was the most stable arrangement for any atom; this arrangement caused them to be unreactive with other elements since they did not require any more electrons to complete their outer shell.[14]
In 1962 Neil Bartlett discovered the first chemical compound of a noble gas, xenon hexafluoroplatinate.[15] Compounds of other noble gases were discovered soon after: in 1962 for radon, radon difluoride,[16] and in 1963 for krypton, krypton difluoride (KrF
2).[17] The first stable compound of argon was reported in 2000 when argon fluorohydride (HArF) was formed at a temperature of 40 K (−233.2 °C; −387.7 °F).[18]
In December 1998, scientists at the Joint Institute for Nuclear Research working in Dubna, Russia bombarded plutonium (Pu) with calcium (Ca) to produce a single atom of element 114,[19] flerovium (Fl).[20] Preliminary chemistry experiments have indicated this element may be the first superheavy element to show abnormal noble-gas-like properties, even though it is a member of group 14 on the periodic table.[21] In October 2006, scientists from the Joint Institute for Nuclear Research and Lawrence Livermore National Laboratory successfully created synthetically ununoctium (Uuo), the seventh element in group 18,[22] by bombarding californium (Cf) with calcium (Ca).[23]
Physical and atomic properties
The noble gases have weak interatomic force, and consequently have very low melting and boiling points. They are all monatomic gases under standard conditions, including the elements with larger atomic masses than many normally solid elements.[11] Helium has several unique qualities when compared with other elements: its boiling and melting points are lower than those of any other known substance; it is the only element known to exhibit superfluidity; it is the only element that cannot be solidified by cooling under standard conditions—a pressure of 25 standard atmospheres (2,500 kPa; 370 psi) must be applied at a temperature of 0.95 K (−272.200 °C; −457.960 °F) to convert it to a solid.[27] The noble gases up to xenon have multiple stable isotopes. Radon has no stable isotopes; its longest-lived isotope, 222Rn, has a half-life of 3.8 days and decays to form helium and polonium, which ultimately decays to lead.[11]
Property[11][24] Helium Neon Argon Krypton Xenon Radon
Density (g/dm3) 0.1786 0.9002 1.7818 3.708 5.851 9.97
Boiling point (K) 4.4 27.3 87.4 121.5 166.6 211.5
Melting point (K) 0.95[25] 24.7 83.6 115.8 161.7 202.2
Enthalpy of vaporization (kJ/mol) 0.08 1.74 6.52 9.05 12.65 18.1
Solubility in water at 20 °C (cm3/kg) 8.61 10.5 33.6 59.4 108.1 230
Atomic number 2 10 18 36 54 86
Atomic radius (calculated) (pm) 31 38 71 88 108 120
Ionization energy (kJ/mol) 2372 2080 1520 1351 1170 1037
Allen electronegativity[26] 4.16 4.79 3.24 2.97 2.58 2.60
The noble gas atoms, like atoms in most groups, increase steadily in atomic radius from one period to the next due to the increasing number of electrons. The size of the atom is related to several properties. For example, the ionization potential decreases with an increasing radius because the valence electrons in the larger noble gases are farther away from the nucleus and are therefore not held as tightly together by the atom. Noble gases have the largest ionization potential among the elements of each period, which reflects the stability of their electron configuration and is related to their relative lack of chemical reactivity.[24] Some of the heavier noble gases, however, have ionization potentials small enough to be comparable to those of other elements and molecules. It was the insight that xenon has an ionization potential similar to that of the oxygen molecule that led Bartlett to attempt oxidizing xenon using platinum hexafluoride, an oxidizing agent known to be strong enough to react with oxygen.[15] Noble gases cannot accept an electron to form stable anions; that is, they have a negative electron affinity.[28]
The macroscopic physical properties of the noble gases are dominated by the weak van der Waals forces between the atoms. The attractive force increases with the size of the atom as a result of the increase in polarizability and the decrease in ionization potential. This results in systematic group trends: as one goes down group 18, the atomic radius, and with it the interatomic forces, increases, resulting in an increasing melting point, boiling point, enthalpy of vaporization, and solubility. The increase in density is due to the increase in atomic mass.[24]
The noble gases are nearly ideal gases under standard conditions, but their deviations from the ideal gas law provided important clues for the study of intermolecular interactions. The Lennard-Jones potential, often used to model intermolecular interactions, was deduced in 1924 by John Lennard-Jones from experimental data on argon before the development of quantum mechanics provided the tools for understanding intermolecular forces from first principles.[29] The theoretical analysis of these interactions became tractable because the noble gases are monatomic and the atoms spherical, which means that the interaction between the atoms is independent of direction, or isotropic.
Chemical properties 3
The noble gases are colorless, odorless, tasteless, and nonflammable under standard conditions. They were once labeled group 0 in the periodic table because it was believed they had a valence of zero, meaning their atoms cannot combine with those of other elements to form compounds. However, it was later discovered some do indeed form compounds, causing this label to fall into disuse.[11]
Like other groups, the members of this family show patterns in its electron configuration, especially the outermost shells resulting in trends in chemical behavior:
Z Element No. of electrons/shell
2 helium 2
10 neon 2, 8
18 argon 2, 8, 8
36 krypton 2, 8, 18, 8
54 xenon 2, 8, 18, 18, 8
86 radon 2, 8, 18, 32, 18, 8
The noble gases have full valence electron shells. Valence electrons are the outermost electrons of an atom and are normally the only electrons that participate in chemical bonding. Atoms with full valence electron shells are extremely stable and therefore do not tend to form chemical bonds and have little tendency to gain or lose electrons.[30] However, heavier noble gases such as radon are held less firmly together by electromagnetic force than lighter noble gases such as helium, making it easier to remove outer electrons from heavy noble gases.
Noble gas notation 1 fram 3
As a result of a full shell, the noble gases can be used in conjunction with the electron configuration notation to form the noble gas notation. To do this, the nearest noble gas that precedes the element in question is written first, and then the electron configuration is continued from that point forward. For example, the electron notation of Phosphorus is 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3, while the noble gas notation is [Ne] 3s2 3p3. This more compact notation makes it easier to identify elements, and is shorter than writing out the full notation of atomic orbitals.[31]
Compounds 2 fram 3
The noble gases show extremely low chemical reactivity; consequently, only a few hundred noble gas compounds have been formed. Neutral compounds in which helium and neon are involved in chemical bonds have not been formed (although there is some theoretical evidence for a few helium compounds), while xenon, krypton, and argon have shown only minor reactivity.[32] The reactivity follows the order Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn.
In 1933, Linus Pauling predicted that the heavier noble gases could form compounds with fluorine and oxygen. He predicted the existence of krypton hexafluoride (KrF
6) and xenon hexafluoride (XeF
6), speculated that XeF
8 might exist as an unstable compound, and suggested xenic acid could form perxenate salts.[33][34] These predictions were shown to be generally accurate, except that XeF
8 is now thought to be both thermodynamically and kinetically unstable.[35]
Xenon compounds are the most numerous of the noble gas compounds that have been formed.[36] Most of them have the xenon atom in the oxidation state of +2, +4, +6, or +8 bonded to highly electronegative atoms such as fluorine or oxygen, as in xenon difluoride (XeF
2), xenon tetrafluoride (XeF
4), xenon hexafluoride (XeF
6), xenon tetroxide (XeO
4), and sodium perxenate (Na
4XeO
6). Xenon reacts with fluorine to form numerous xenon fluorides according to the following equations:
Xe + F2 → XeF2
Xe + 2F2 → XeF4
Xe + 3F2 → XeF6
Some of these compounds have found use in chemical synthesis as oxidizing agents; XeF
2, in particular, is commercially available and can be used as a fluorinating agent.[37] As of 2007, about five hundred compounds of xenon bonded to other elements have been identified, including organoxenon compounds (containing xenon bonded to carbon), and xenon bonded to nitrogen, chlorine, gold, mercury, and xenon itself.[32][38] Compounds of xenon bound to boron, hydrogen, bromine, iodine, beryllium, sulphur, titanium, copper, and silver have also been observed but only at low temperatures in noble gas matrices, or in supersonic noble gas jets.[32]
In theory, radon is more reactive than xenon, and therefore should form chemical bonds more easily than xenon does. However, due to the high radioactivity and short half-life of radon isotopes, only a few fluorides and oxides of radon have been formed in practice.[39]
Krypton is less reactive than xenon, but several compounds have been reported with krypton in the oxidation state of +2.[32] Krypton difluoride is the most notable and easily characterized. Under extreme conditions, krypton reacts with fluorine to form KrF2 according to the following equation:
Kr + F2 → KrF2
Compounds in which krypton forms a single bond to nitrogen and oxygen have also been characterized,[40] but are only stable below −60 °C (−76 °F) and −90 °C (−130 °F) respectively.[32]
Krypton atoms chemically bound to other nonmetals (hydrogen, chlorine, carbon) as well as some late transition metals (copper, silver, gold) have also been observed, but only either at low temperatures in noble gas matrices, or in supersonic noble gas jets.[32] Similar conditions were used to obtain the first few compounds of argon in 2000, such as argon fluorohydride (HArF), and some bound to the late transition metals copper, silver, and gold.[32] As of 2007, no stable neutral molecules involving covalently bound helium or neon are known.[32]
The noble gases—including helium—can form stable molecular ions in the gas phase. The simplest is the helium hydride molecular ion, HeH+, discovered in 1925.[41] Because it is composed of the two most abundant elements in the universe, hydrogen and helium, it is believed to occur naturally in the interstellar medium, although it has not been detected yet.[42] In addition to these ions, there are many known neutral excimers of the noble gases. These are compounds such as ArF and KrF that are stable only when in an excited electronic state; some of them find application in excimer lasers.
In addition to the compounds where a noble gas atom is involved in a covalent bond, noble gases also form non-covalent compounds. The clathrates, first described in 1949,[43] consist of a noble gas atom trapped within cavities of crystal lattices of certain organic and inorganic substances. The essential condition for their formation is that the guest (noble gas) atoms must be of appropriate size to fit in the cavities of the host crystal lattice. For instance, argon, krypton, and xenon form clathrates with hydroquinone, but helium and neon do not because they are too small or insufficiently polarizable to be retained.[44] Neon, argon, krypton, and xenon also form clathrate hydrates, where the noble gas is trapped in ice.[45]
Noble gases can form endohedral fullerene compounds, in which the noble gas atom is trapped inside a fullerene molecule. In 1993, it was discovered that when C
60, a spherical molecule consisting of 60 carbon atoms, is exposed to noble gases at high pressure, complexes such as He@C
60 can be formed (the @ notation indicates He is contained inside C
60 but not covalently bound to it).[46] As of 2008, endohedral complexes with helium, neon, argon, krypton, and xenon have been obtained.[47] These compounds have found use in the study of the structure and reactivity of fullerenes by means of the nuclear magnetic resonance of the noble gas atom.[48]
Noble gas compounds such as xenon difluoride (XeF
2) are considered to be hypervalent because they violate the octet rule. Bonding in such compounds can be explained using a three-center four-electron bond model.[49][50] This model, first proposed in 1951, considers bonding of three collinear atoms. For example, bonding in XeF
2 is described by a set of three molecular orbitals (MOs) derived from p-orbitals on each atom. Bonding results from the combination of a filled p-orbital from Xe with one half-filled p-orbital from each F atom, resulting in a filled bonding orbital, a filled non-bonding orbital, and an empty antibonding orbital. The highest occupied molecular orbital is localized on the two terminal atoms. This represents a localization of charge which is facilitated by the high electronegativity of fluorine.[51]
The chemistry of heavier noble gases, krypton and xenon, are well established. The chemistry of the lighter ones, argon and helium, is still at an early stage, while a neon compound is still yet to be identified.
Occurrence and production
The abundances of the noble gases in the universe decrease as their atomic numbers increase. Helium is the most common element in the universe after hydrogen, with a mass fraction of about 24%. Most of the helium in the universe was formed during Big Bang nucleosynthesis, but the amount of helium is steadily increasing due to the fusion of hydrogen in stellar nucleosynthesis (and, to a very slight degree, the alpha decay of heavy elements).[52][53] Abundances on Earth follow different trends; for example, helium is only the third most abundant noble gas in the atmosphere. The reason is that there is no primordial helium in the atmosphere; due to the small mass of the atom, helium cannot be retained by the Earth's gravitational field.[54] Helium on Earth comes from the alpha decay of heavy elements such as uranium and thorium found in the Earth's crust, and tends to accumulate in natural gas deposits.[54] The abundance of argon, on the other hand, is increased as a result of the beta decay of potassium-40, also found in the Earth's crust, to form argon-40, which is the most abundant isotope of argon on Earth despite being relatively rare in the Solar System. This process is the base for the potassium-argon dating method.[55] Xenon has an unexpectedly low abundance in the atmosphere, in what has been called the missing xenon problem; one theory is that the missing xenon may be trapped in minerals inside the Earth's crust.[56] After the discovery of xenon dioxide, a research showed that Xe can substitute for Si in the quartz.[57] Radon is formed in the lithosphere as from the alpha decay of radium. It can seep into buildings through cracks in their foundation and accumulate in areas that are not well ventilated. Due to its high radioactivity, radon presents a significant health hazard; it is implicated in an estimated 21,000 lung cancer deaths per year in the United States alone.[58]
Abundance Helium Neon Argon Krypton Xenon Radon
Solar System (for each atom of silicon)[59] 2343 2.148 0.1025 5.515 × 10−5 5.391 × 10−6 –
Earth's atmosphere (volume fraction in ppm)[60] 5.20 18.20 9340.00 1.10 0.09 (0.06–18) × 10−
Igneous rock (mass fraction in ppm)[24] 3 × 10−3 7 × 10−5 4 × 10−2 – – 1.7 × 10−10
For large-scale use, helium is extracted by fractional distillation from natural gas, which can contain up to 7% helium.[63]
Neon, argon, krypton, and xenon are obtained from air using the methods of liquefaction of gases, to convert elements to a liquid state, and fractional distillation, to separate mixtures into component parts. Helium is typically produced by separating it from natural gas, and radon is isolated from the radioactive decay of radium compounds.[11] The prices of the noble gases are influenced by their natural abundance, with argon being the cheapest and xenon the most expensive. As an example, the table to the right lists the 2004 prices in the United States for laboratory quantities of each gas.
Gas 2004 price (USD/m3)[62]
Helium (industrial grade) 4.20–4.90
Helium (laboratory grade) 22.30–44.90
Argon 2.70–8.50
Neon 60–120
Krypton 400–500
Xenon 4000–5000
Applications
Noble gases have very low boiling and melting points, which makes them useful as cryogenic refrigerants.[64] In particular, liquid helium, which boils at 4.2 K (−268.95 °C; −452.11 °F), is used for superconducting magnets, such as those needed in nuclear magnetic resonance imaging and nuclear magnetic resonance.[65] Liquid neon, although it does not reach temperatures as low as liquid helium, also finds use in cryogenics because it has over 40 times more refrigerating capacity than liquid helium and over three times more than liquid hydrogen.[61]
Helium is used as a component of breathing gases to replace nitrogen, due its low solubility in fluids, especially in lipids. Gases are absorbed by the blood and body tissues when under pressure like in scuba diving, which causes an anesthetic effect known as nitrogen narcosis.[66] Due to its reduced solubility, little helium is taken into cell membranes, and when helium is used to replace part of the breathing mixtures, such as in trimix or heliox, a decrease in the narcotic effect of the gas at depth is obtained.[67] Helium's reduced solubility offers further advantages for the condition known as decompression sickness, or the bends.[11][68] The reduced amount of dissolved gas in the body means that fewer gas bubbles form during the decrease in pressure of the ascent. Another noble gas, argon, is considered the best option for use as a drysuit inflation gas for scuba diving.[69] Helium is also used as filling gas in nuclear fuel rods for nuclear reactors.[70]
Since the Hindenburg disaster in 1937,[71] helium has replaced hydrogen as a lifting gas in blimps and balloons due to its lightness and incombustibility, despite an 8.6%[72] decrease in buoyancy.[11]
In many applications, the noble gases are used to provide an inert atmosphere. Argon is used in the synthesis of air-sensitive compounds that are sensitive to nitrogen. Solid argon is also used for the study of very unstable compounds, such as reactive intermediates, by trapping them in an inert matrix at very low temperatures.[73] Helium is used as the carrier medium in gas chromatography, as a filler gas for thermometers, and in devices for measuring radiation, such as the Geiger counter and the bubble chamber.[62] Helium and argon are both commonly used to shield welding arcs and the surrounding base metal from the atmosphere during welding and cutting, as well as in other metallurgical processes and in the production of silicon for the semiconductor industry.[61]
Noble gases are commonly used in lighting because of their lack of chemical reactivity. Argon, mixed with nitrogen, is used as a filler gas for incandescent light bulbs.[61] Krypton is used in high-performance light bulbs, which have higher color temperatures and greater efficiency, because it reduces the rate of evaporation of the filament more than argon; halogen lamps, in particular, use krypton mixed with small amounts of compounds of iodine or bromine.[61] The noble gases glow in distinctive colors when used inside gas-discharge lamps, such as "neon lights". These lights are called after neon but often contain other gases and phosphors, which add various hues to the orange-red color of neon. Xenon is commonly used in xenon arc lamps which, due to their nearly continuous spectrum that resembles daylight, find application in film projectors and as automobile headlamps.[61]
The noble gases are used in excimer lasers, which are based on short-lived electronically excited molecules known as excimers. The excimers used for lasers may be noble gas dimers such as Ar2, Kr2 or Xe2, or more commonly, the noble gas is combined with a halogen in excimers such as ArF, KrF, XeF, or XeCl. These lasers produce ultraviolet light which, due to its short wavelength (193 nm for ArF and 248 nm for KrF), allows for high-precision imaging. Excimer lasers have many industrial, medical, and scientific applications. They are used for microlithography and microfabrication, which are essential for integrated circuit manufacture, and for laser surgery, including laser angioplasty and eye surgery.[74]
Some noble gases have direct application in medicine. Helium is sometimes used to improve the ease of breathing of asthma sufferers.[61] Xenon is used as an anesthetic because of its high solubility in lipids, which makes it more potent than the usual nitrous oxide, and because it is readily eliminated from the body, resulting in faster recovery.[75] Xenon finds application in medical imaging of the lungs through hyperpolarized MRI.[76] Radon, which is highly radioactive and is only available in minute amounts, is used in radiotherapy.[11]
References
- Bennett, Peter B.; Elliott, David H. (1998). The Physiology and Medicine of Diving. SPCK Publishing. ISBN 0-7020-2410-4.
- Bobrow Test Preparation Services (2007-12-05). CliffsAP Chemistry. CliffsNotes. ISBN 0-470-13500-X.
- Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Oxford:Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4.
- Harding, Charlie J.; Janes, Rob (2002). Elements of the P Block. Royal Society of Chemistry. ISBN 0-85404-690-9.
- Holloway, John H. (1968). Noble-Gas Chemistry. London: Methuen Publishing. ISBN 0-412-21100-9.
- Mendeleev, D. (1902–1903). Osnovy Khimii (The Principles of Chemistry) (in Russian) (7th ed.).
- Ojima, Minoru; Podosek, Frank A. (2002). Noble Gas Geochemistry. Cambridge University Press. ISBN 0-521-80366-7.
- Weinhold, F.; Landis, C. (2005). Valency and bonding. Cambridge University Press. ISBN 0-521-83128-8.
- Scerri, Eric R. (2007). The Periodic Table, Its Story and Its Significance. Oxford University Press. ISBN 0-19-5305
گاز نجیب
از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد
محتویات
معرفی
تاریخ
خواص فیزیکی و اتمی
3 خواص شیمیایی
3.1 نماد گاز نجیب
ترکیبات
پیدایش و تولید
نرم افزار
منابع
معرفی
گازهای نجیب را گروهی از عناصر شیمیایی با خواص مشابه: تحت شرایط استاندارد، همه آنها بی بو، بی رنگ، گازها monatomic با واکنش شیمیایی بسیار پایین است.شش گازهای نجیب که به طور طبیعی رخ می دهد هلیوم (او)، نئون (نئون)، آرگون (AR)، کریپتون (KR)، زنون (زنون) و رادون رادیواکتیو (RN).
برای شش دوره اول جدول تناوبی، گازهای نجیب دقیقا اعضای گروه 18 از جدول تناوبی. این امکان وجود دارد که با توجه به اثرات نسبیتی، گروه 14 عنصر فلروویوم نمایشگاه برخی از خواص مانند گاز بیاثر، [1] به جای گروه 18 عنصر آناناکتیوم. [2] گازهای نجیب معمولا بسیار غیر واکنشی به جز زمانی که تحت شرایط شدید خاص است.inertness از گازهای نجیب آنها را بسیار در برنامه های کاربردی که در آن واکنش می خواستم مناسب. به عنوان مثال: آرگون در لامپ های حبابی برای جلوگیری از رشته تنگستن داغ از اکسید کننده استفاده می شود؛ همچنین، هلیوم است که توسط غواصان در اعماق دریا برای جلوگیری از اکسیژن و نیتروژن سمیت نفس.
خواص از گازهای نجیب را می توان به خوبی توسط نظریه مدرن از ساختار اتمی توضیح داد: پوسته بیرونی خود را از الکترونهای ظرفیتی نظر گرفته می شود "کامل"، به آنها تمایل کمی برای شرکت در واکنش های شیمیایی، و آن را تا ممکن است فقط یک برای آماده سازی چند صد ترکیبات گاز نجیب.نقطه ذوب و جوش برای یک گاز نجیب داده شده به هم نزدیک باشند، متفاوت با کمتر از 10 درجه سانتی گراد (18 ° F). است که، آنها مایعات بیش از تنها یک محدوده دمایی کوچک هستند.
نئون، آرگون، کریپتون و زنون از هوا در واحد تفکیک هوا با استفاده از روش مایع از گازها و تقطیر جزء به جزء به دست آمده. هلیم از میادین گاز طبیعی که غلظت بالایی از هلیوم موجود در گاز طبیعی منابع، با استفاده از تکنیک های جداسازی گاز برودتی و رادون معمولا از تجزیه رادیواکتیو از ترکیبات رادیوم حل جدا شده است. گازهای نجیب دارای چندین برنامه مهم در صنایع مانند روشنایی، جوش، و اکتشاف فضا.گاز تنفس هلیوم-اکسیژن است که اغلب توسط غواصان در اعماق دریا در اعماق آب دریا بیش از 55 متر (180 فوت) استفاده می شود به نگه داشتن غواص از تجربه مسمومیت اکسیژن، اثر کشنده اکسیژن فشار بالا، و بی حالی نیتروژن، مواد مخدر منحرف اثر نیتروژن در هوا فراتر از این آستانه جزئی فشار. پس از خطرات ناشی از اشتعال پذیری هیدروژن آشکار شد، آن را با هلیوم در بالن و بادکنک جایگزین شد.
تاریخ
گاز نجیب از اسم آلمانی Edelgas، برای اولین بار در سال 1898 توسط هوگو اردمان [3] استفاده می شود به نشان می دهد سطح بسیار پایین خود را از واکنش ترجمه شده است. نام باعث می شود یک مقایسه به اصطلاح "فلزات نجیب"، که همچنین واکنش کم داشته باشد.گازهای نجیب نیز به گازهای بی اثر به عنوان ارجاع شده است، اما این برچسب را به عنوان بسیاری از ترکیبات گاز نجیب در حال حاضر شناخته شده توصیه نمی شوند. [4] گازهای نادر مدت دیگری است که مورد استفاده قرار گرفت است، [5] اما این نیز نادرست به دلیل آرگون به شکل یک نسبتا بخش قابل توجهی (0.94٪ است که توسط حجم، 1.3٪ است که توسط توده) از جو زمین. [6]
پیر جانسن و جوزف نورمن لاکیر یک عنصر جدید در 1868 اوت 18 کشف حالی که به دنبال در کرومسفر از خورشید، و نام آن را بعد از کلمه یونانی برای خورشید، ήλιος (ílios یا HELIOS) هلیوم. [7] بدون تجزیه و تحلیل شیمیایی بود ممکن است در زمان، اما هلیوم بعد بود که یک گاز نجیب. قبل از آنها، در سال 1784، شیمیدان انگلیسی و فیزیکدان هنری کاوندیش را کشف کرده بود که هوا شامل بخش کوچکی از یک ماده واکنش پذیری آن نسبت نیتروژن. [8] یک قرن بعد، در سال 1895، لرد ریلی کشف کرد که نمونه نیتروژن از هوا بود از تراکم های مختلف از نیتروژن حاصل از واکنش های شیمیایی. همراه با ویلیام رامسی دانشمند اسکاتلندی در دانشگاه کالج لندن، لرد ریلی استدلال که نیتروژن استخراج شده از هوا با گاز یکی دیگر از مخلوط شد، که منجر به یک آزمایش که با موفقیت جدا یک عنصر جدید، آرگون، از αργός کلمه یونانی (Argos در، "غیر فعال "). [8] با این کشف، آنها متوجه یک کلاس تمام گازهای از جدول تناوبی از دست رفته بود. در جستجوی خود را برای جوشکاری آرگون، رامسی نیز موفق به جداسازی هلیم برای اولین بار در حالی که گرم کلویت، یک ماده معدنی. در سال 1902، پس از پذیرفته شواهد برای هلیوم عناصر و آرگون، دیمیتری مندلیف شامل این گازهای نجیب به عنوان گروه 0 در آرایش خود از عناصر، که بعدها تبدیل جدول تناوبی. [9]
رامسی به جستجو برای این گازها با استفاده از روش تقطیر جزء به جزء برای جداسازی هوای مایع به چندین بخش ادامه داد. در سال 1898، او کشف کریپتون عناصر، نئون و زنون، و آنها را پس از واژه یونانی به نام κρυπτός (kryptós، "پنهان")، νέος (NEOS، "جدید")، و ξένος (xénos، "غریبه")، به ترتیب . رادون برای اولین بار در سال 1898 توسط فردریک ارنست دورن، [10] شناخته شد و صدور رادیوم نامگذاری شد، اما این گاز نجیب تا 1904 هنگامی که ویژگی های آن می شود شبیه به کسانی که از سایر گازهای نجیب پیدا شد در نظر گرفته نشده است. [11] ریلی و رمزی1904 جایزه نوبل در فیزیک و شیمی را دریافت، به ترتیب، برای کشف خود را از گازهای نجیب؛ [12] [13] در کلمات JE Cederblom، سپس رئيس جمهور از آکادمی سلطنتی علوم سوئد، "کشف به طور کامل گروه جدیدی از عناصر، که هیچ نماینده تک با هر قطعیت شناخته شده است، چیزی کاملا در تاریخ شیمی منحصر به فرد است، که ذاتا یک پیشرفت در علم از اهمیت خاص ". [13]
کشف گازهای نجیب کمک در توسعه یک درک کلی از ساختار اتمی. در سال 1895، شیمیدان فرانسوی آنری مواسان اقدام به تشکیل یک واکنش بین فلوئور، عنصر الکترونگاتیو ترین، و آرگون، یکی از گازهای نجیب، اما شکست خورده است. دانشمندان قادر به آماده سازی ترکیبات آرگون تا پایان قرن 20 بود، اما این تلاش به منظور توسعه نظریه های جدید از ساختار اتمی کمک کرد. یادگیری از این آزمایشات، فیزیکدان دانمارکی نیلز بور در سال 1913 پیشنهاد کرد که الکترون ها در اتم ها در پوسته اطراف هسته مرتب، و برای همه گازهای نجیب به جز هلیم خارجیترین لایه اتمی همیشه شامل هشت الکترون. [11] در سال 1916، گیلبرت N. لوئیس فرموله قاعده هشتتایی، که اکتت الکترون در لایه خارجی به این نتیجه رسیدند آرایش پایدار ترین برای هر اتم بود. این تنظیم باعث آنها را به غیر واکنشی با عناصر دیگر از آنجایی که آنها هیچ الکترونهای بیشتری نیاز ندارد برای تکمیل پوسته بیرونی خود را. [14]
در سال 1962 نیل بارتلت کشف ترکیب شیمیایی اول یک گاز نجیب، hexafluoroplatinate زنون [15] ترکیبات سایر گازهای نجیب به زودی کشف شد پس از:. در سال 1962 برای رادون، رادون دیفلورید، [16] و در سال 1963 برای کریپتون، کریپتون دیفلورید (KRF
2) [17] اولین ترکیب پایدار آرگون در سال 2000 گزارش شد که آرگون fluorohydride (HArF) در دمای 40 K (-233.2 درجه سانتیگراد تشکیل شد،.. -387.7 ° F) [18]
در دسامبر سال 1998، دانشمندان در موسسه مشترک تحقیقات اتمی مشغول به کار در دوبنا، روسیه، بمباران پلوتونیم (پلوتونیم) با کلسیم (کلسیم) برای تولید یک اتم عنصر 114، [19] [20] آزمایش های شیمی مقدماتی فلروویوم (FL). نشان داده اند این عنصر ممکن است اولین عنصر فوق سنگین برای نشان دادن خواص غیر طبیعی مانند گاز بیاثر، حتی اگر آن عضو گروه 14 در جدول تناوبی است. [21] در اکتبر سال 2006، دانشمندان از موسسه مشترک تحقیقات اتمی و آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور با موفقیت ایجاد مصنوعی آناناکتیوم (UUO)، عنصر هفتم در گروه 18، [22] با بمباران کالیفرنیم (CF) با کلسیم (کلسیم). [23]
خواص فیزیکی و اتمی
گازهای نجیب دارای نیروی interatomic ضعیف، و در نتیجه دارای نقطه ذوب و جوش بسیار کم است. آنها تمام گازهای monatomic تحت شرایط استاندارد، از جمله عناصر با جرم اتمی بزرگتر از بسیاری از عناصر به طور معمول جامد هستند [11] هلیم چندین کیفیت منحصر به فرد زمانی که با عناصر دیگر در مقایسه:. جوش و ذوب نقاط آن کمتر از هر ماده شناخته شده دیگر . این تنها عنصر شناخته شده برای نمایشگاه ابرشارگی است. (. 370 PSI 2500 کیلو پاسکال) باید در دمای 0.95 K اعمال (-272.200 ° C؛ -457.960 ° F) برای تبدیل آن تنها عنصری است که می تواند توسط خنک کننده تحت شرایط-استاندارد فشار 25 اتمسفر استاندارد نمی شود مستحکم است آن را به یک جامد. [27] گازهای نجیب تا زنون دارند ایزوتوپ های متعدد با ثبات است. رادون هیچ ایزوتوپ پایدار. طولانیترین عمر ایزوتوپی آن، 222Rn، دارای نیمه عمر 3.8 روز و متلاشی میشود به شکل هلیوم و پولونیوم را، که در نهایت تبدیل می شود به منجر شود. [11]
املاک [11] [24] هلیم نئون آرگون کریپتون زنون رادون
تراکم (گرم / dm3) 0.1786 0.9002 1.7818 3.708 5.851 9.97
نقطه جوش (K) 4.4 27.3 87.4 121.5 166.6 211.5
نقطه ذوب (K) 0.95 [25] 24.7 83.6 115.8 161.7 202.2
آنتالپی تبخیر (کیلوژول / مول) 0.08 1.74 6.52 9.05 12.65 18.1
حلالیت در آب در 20 درجه سانتی گراد (cm3 را / کیلوگرم) 8.61 10.5 33.6 59.4 108.1 230
عدد اتمی 2 10 18 36 54 86
شعاع اتمی (محاسبه) (PM) 31 38 71 88 108 120
انرژی یونیزاسیون (کیلوژول / مول) 2372 2080 1520 1351 1170 1037
الکترونگاتیویته آلن [26] 4.16 4.79 3.24 2.97 2.58 2.60
اتم گاز نجیب، مانند اتم ها در بسیاری از گروه ها، افزایش به طور پیوسته در شعاع اتمی از یک دوره به بعد با توجه به افزایش تعداد الکترون. اندازه اتم است به چند خواص مربوط. به عنوان مثال، پتانسیل یونیزاسیون با شعاع افزایش کاهش می یابد زیرا الکترونهای ظرفیتی در گازهای نجیب بزرگتر دورتر از هسته قرار دارند و بنابراین نه به عنوان محکم با هم توسط اتم برگزار می شود. گازهای نجیب دارای بزرگترین پتانسیل یونیزاسیون در بین عناصر هر دوره، که نشان دهنده ثبات ساختار الکترونی آنها و به فقدان نسبی خود را از واکنش های شیمیایی مربوط می شود. [24] برخی از گازهای نجیب سنگین تر، با این حال، پتانسیل یونیزاسیون به اندازه کافی کوچک به مقایسه با کسانی که از عناصر و مولکول های دیگر. این بینش که زنون دارای یونیزاسیون بالقوه شبیه به مولکول اکسیژن که منجر بارتلت به تلاش اکسید کننده زنون با استفاده از هگزافلورید پلاتین، یک عامل اکسید کننده شناخته شده به اندازه کافی قوی با اکسیژن واکنش نشان خواهد بود. [15] گازهای نجیب می تواند یک الکترون را قبول نمی کند به فرم آنیون پایدار. است که، آنها یک میل جذب الکترون منفی است. [28]
خواص فیزیکی ماکروسکوپی از گازهای نجیب توسط نیروهای واندروالس ضعیف بین اتم بود.نیروی جاذبه با اندازه اتم به عنوان یک نتیجه از افزایش قطبشپذیری و کاهش پتانسیل یونیزاسیون افزایش می یابد. این نتایج در روند گروه سیستماتیک: به عنوان یک گروه 18، شعاع اتمی، و با آن نیروهای interatomic، افزایش می دهد، در نتیجه نقطه ذوب افزایش، نقطه جوش، آنتالپی تبخیر، و حلالیت پایین می رود. افزایش در تراکم است به دلیل افزایش در جرم اتمی. [24]
گازهای نجیب گازهای نزدیک به ایده آل در شرایط استاندارد هستند، اما انحرافات خود را از قانون گاز ایده آل سرنخ مهمی برای مطالعه تعاملات بین مولکولی ارائه شده است.پتانسیل لنارد-جونز، اغلب مورد استفاده برای مدل تعامل بین مولکولی، در سال 1924 توسط جان لنارد-جونز از داده های تجربی در آرگون قبل از توسعه مکانیک کوانتومی [29] تحلیل نظری استنباط شد ابزار برای درک نیروهای بین مولکولی از اصول اولین ارائه شده است. از این تداخلات نرم تبدیل شد زیرا گازهای نجیب monatomic هستند و اتم کروی، که بدان معنی است که تعامل بین اتم مستقل از جهت، یا ایزوتروپیک است.
خواص شیمیایی 3
گازهای نجیب بی رنگ، بی بو، بی مزه، و تحت شرایط استاندارد اشتعال هستند. آنها یک بار گروه 0 نشاندار شد که در جدول تناوبی به دلیل اعتقاد بر این بود که آنها ظرفیت به حال از صفر، به این معنی اتم خود را نمی تواند با کسانی که از عناصر دیگر به شکل ترکیبات ترکیب. با این حال، بعد کشف شد برخی واقعا ترکیبات فرم، باعث این برچسب به استفاده نامناسب قرار می گیرند. [11]
مانند گروه های دیگر، اعضای این خانواده الگوهای نشان می دهد در ساختار الکترونی آن، به خصوص پوسته خارجی ترین و در نتیجه روند در رفتار شیمیایی:
Z عنصر تعداد الکترون ها / پوسته
2 هلیوم 2
10 نئون 2، 8
18 آرگون 2، 8، 8
36 کریپتون 2، 8، 18، 8
54 زنون 2، 8، 18، 18، 8
86 رادون 2، 8، 18، 32، 18، 8
گازهای نجیب دارای پوسته کامل الکترون ظرفیتی. الکترونهای ظرفیتی خارجی ترین الکترون از یک اتم هستند و به طور معمول تنها الکترون ها که در پیوند شیمیایی شرکت کنند. اتم با لایه الکترون ظرفیتی کامل بسیار پایدار و در نتیجه تمایل به تشکیل پیوندهای شیمیایی و تمایل کمی برای به دست آوردن یا از دست دادن الکترون. [30] با این حال، گازهای نجیب سنگین تر مانند رادون کمتر بصورتی پایدار و محکم با هم توسط نیروی الکترومغناطیسی از سبک تر نجیب برگزار گازهای مانند هلیوم، و آن را آسان تر برای حذف الکترونهای بیرونی از گازهای نجیب سنگین.
نماد گاز نجیب 1 از 3
به عنوان یک نتیجه از یک پوسته کامل، گازهای نجیب را می توان در رابطه با نماد پیکربندی الکترونی استفاده می شود به شکل نماد گاز نجیب. برای این کار، نزدیکترین گاز نجیب که پیش می آید این عنصر در سوال اول نوشته شده است، و پس از آن پیکربندی الکترونی است از آن نقطه به جلو ادامه انجام دهد. به عنوان مثال، نماد الکترونی فسفر 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 است، در حالی که نماد گاز نجیب [نئون] 3s2 3p3 است. این نماد جمع و جور تر می سازد آن را آسان تر برای شناسایی عناصر، و کوتاه تر از نوشتن نماد پر از اوربیتال اتمی است. [31]
ترکیبات 2 از 3
گازهای نجیب نشان می دهد واکنش شیمیایی بسیار کم. در نتیجه، تنها چند صد ترکیبات گاز نجیب تشکیل شده است. ترکیبات خنثی که در آن هلیوم و نئون در پیوندهای شیمیایی درگیر تشکیل نشده است (اگر چه برخی شواهد نظری برای چند ترکیبات هلیم وجود دارد)، در حالی که زنون، کریپتون و آرگون تنها واکنش جزئی نشان داده اند. [32] واکنش به پیروی از منظور نئون <او <آرگون <از Kr <زنون <آن Rn.
در سال 1933، لینوس پائولینگ پیش بینی کرد که گازهای نجیب سنگین تر می تواند ترکیبات با فلوئور و اکسیژن تشکیل می دهند. او وجود هگزا فلوراید کریپتون (KRF پیش بینی
6) و هگزا فلوراید زنون (XEF
که 6)، این باورند XEF
8 ممکن است به عنوان یک ترکیب ناپایدار وجود دارد، و پیشنهاد زنیک اسید می تواند نمک پرزنات تشکیل می دهند. [33] [34] این پیش بینی نشان داده شده است که به طور کلی دقیق، به جز که XEF
8 در حال حاضر فکر به هر دو باشد ترمودینامیکی و kinetically ناپایدار است. [35]
ترکیبات زنون تعداد زیادی از ترکیبات گاز نجیب که تشکیل شده اند. [36] بسیاری از آنها را اتم زنون در حالت اکسیداسیون +2، +4، 6، یا 8 پیوند به اتم بسیار الکترونگاتیو مانند فلوئور یا اکسیژن، به عنوان در زنون دیفلورید (XEF
2)، تترافلورید زنون (XEF
4)، هگزافلورید زنون (XEF
6)، تترا اکسید زنون (XeO
4)، و پرزنات سدیم (سدیم
4XeO
6). با فلوئور واکنش نشان می دهد زنون به شکل فلوریدهای زنون متعدد با توجه به معادلات زیر است:
زنون + F2 → XeF2
زنون + 2F2 → XeF4
زنون + 3F2 → XeF6
برخی از این ترکیبات استفاده در سنتز مواد شیمیایی به عنوان یک عامل اکسید کننده پیدا کرده اند. XEF
2، به ویژه، است تجاری در دسترس است و می تواند به عنوان یک عامل fluorinating استفاده می شود. [37] از سال 2007، حدود پانصد ترکیبات زنون چسبیدهاند به عناصر دیگر شناسایی شده اند، از جمله ترکیبات organoxenon (حاوی زنون چسبیدهاند به کربن)، و زنون چسبیدهاند به نیتروژن، کلر، طلا، جیوه، و خود زنون. [32] [38] ترکیبات زنون ملزم به بور، هیدروژن، برم، ید، بریلیوم، گوگرد، تیتانیوم، مس و نقره نیز مشاهده شده است اما تنها در دماهای پایین در ماتریس گاز نجیب، و یا در جت گاز نجیب مافوق صوت. [32]
در تئوری، رادون واکنش پذیرتر از زنون است، و بنابراین باید پیوندهای شیمیایی آسان تر از زنون می کند تشکیل می دهند. با این حال، با توجه به رادیواکتیویته و کوتاه نیمه عمر ایزوتوپ رادون، تنها چند فلوریدهای و اکسیدهای رادون در عمل تشکیل شده است. [39]
کریپتون واکنش پذیری آن نسبت زنون است، اما چند ترکیبات با کریپتون در حالت اکسیداسیون از 2 گزارش شده است. [32] کریپتون دیفلورید قابل توجه ترین و به راحتی مشخص می شود. تحت شرایط شدید، کریپتون با فلوئور واکنش نشان می دهد به شکل KrF2 با توجه به معادله زیر:
KR + F2 → KrF2
ترکیبات که در آن کریپتون به شکل یک باند تنها به نیتروژن و اکسیژن نیز مشخص شده است، [40] اما تنها پایدار زیر -60 درجه سانتی گراد (-76 ° F) و -90 ° C (-130 ° F) بود. [32 ]
اتم کریپتون شیمیایی محدود به گازهای نجیب دیگر (هیدروژن، کلر، کربن) و همچنین برخی از فلزات واسطه اواخر (مس، نقره، طلا) نیز مشاهده شده است، اما تنها یا در درجه حرارت پایین در ماتریس گاز نجیب، و یا در جت گاز نجیب مافوق صوت . [32] شرایط مشابه برای به دست آوردن ترکیبات برای اولین بار از تعداد کمی از آرگون در سال 2000، مانند آرگون fluorohydride (HArF)، و برخی محدود به اواخر فلزات واسطه مس، نقره، طلا و مورد استفاده قرار گرفت. [32] از سال 2007، هیچ مولکول پایدار خنثی شامل هلیوم کووالان محدود و یا نئون شناخته شده است. [32]
گازهای نجیب هلیم از جمله می تواند یون های مولکولی پایدار در فاز گاز تشکیل می دهند. ساده ترین است هیدرید هلیوم یون مولکولی، هه +، کشف شده در 1925. [41] از آنجا که آن از دو عنصر از نظر فراوانی در جهان، هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است، اعتقاد بر این است که آن را به طور طبیعی در فضای میان ستاره ای، هر چند که هنوز تشخیص داده نشده است. [42] علاوه بر این یون ها هستند، بسیاری از excimers خنثی شناخته شده از گازهای نجیب وجود دارد. این ترکیبات مانند ARF و KRF که پایدار تنها زمانی که در یک دولت الکترونیکی هیجان زده هستند. برخی از آنها برنامه در لیزر رادیواکتیو پیدا کنید.
علاوه بر ترکیبات که در آن یک اتم گاز نجیب در یک پیوند کووالانسی درگیر، گازهای نجیب نیز ترکیبات غیر کووالانسی تشکیل می دهند.اندرون گیر، برای اولین بار در سال 1949 شرح داده شده، [43] از یک اتم گاز نجیب در حفره از نرده کریستال از برخی از مواد آلی و معدنی به دام افتاده است. شرط ضروری برای شکل گیری آنها این است که مهمان (گاز نجیب) اتم باید از اندازه مناسب برای جا در حفره از شبکه بلوری میزبان باشد. به عنوان مثال، آرگون، کریپتون، و اندرون گیر فرم زنون با هیدروکینون، اما هلیوم و نئون انجام نمی کند چرا که آنها بیش از حد کوچک یا به اندازه کافی polarizable به حفظ شود. [44] نئون، آرگون، کریپتون و زنون نیز تشکیل هیدرات clathrate، که در آن گاز نجیب در یخ به دام افتاده. [45]
گازهای نجیب می تواند ترکیبات فولرن endohedral، که در آن اتم گاز نجیب در داخل یک مولکول فولرین به دام افتاده را تشکیل می دهند. در سال 1993، کشف شد که هنگامی که C
60، یک مولکول کروی متشکل از 60 اتم کربن، به گازهای نجیب در فشار بالا، مجتمع مانند او @ C در معرض
60 را می توان شکل (@ نماد را نشان او در داخل C موجود
60 اما کووالان به آن متصل نیست). [46] در سال 2008، مجتمع endohedral با هلیوم، نئون، آرگون، کریپتون و زنون به دست آمده است. [47] این ترکیبات استفاده در مطالعه ساختار و واکنش نشان داده اند فولرن با استفاده از رزونانس مغناطیسی هسته ای اتم گاز نجیب. [48]
ترکیبات گاز نجیب مانند زنون دیفلورید (XEF
2) در نظر گرفته hypervalent شود چرا که آنها قاعده هشتتایی نقض. چسبندگی در چنین ترکیبات را می توان با استفاده از یک سه مرکز مدل باند چهار الکترون توضیح داد. [49] [50] این مدل، اولین بار در سال 1951 ارائه شده، اتصال سه اتم خط مستقیم واقع شونده می داند. به عنوان مثال، اتصال در XEF
2 توسط مجموعه ای از سه اوربیتال مولکولی (MOS) مشتق شده از P-اوربیتال در هر اتم توصیف شده است. نتایج چسبندگی از ترکیبی از پر P-مداری از Xe با نصف پر P-مداری از هر اتم F، و در نتیجه اتصال پر مداری، است نه ناپیوند، و خالی پادپیوند مداری. بالاترین اشغال اوربیتال مولکولی بر دو اتم ترمینال ترجمه شده است. این نشان دهنده یک محل بار است که توسط الکترونگاتیویته بالا فلوئور تسهیل می شود. [51]
شیمی سنگین تر گازهای نجیب، کریپتون و زنون، به خوبی برقرار شده است.شیمی از سبک تر آنهایی که، آرگون و هلیوم است، هنوز در مراحل اولیه، در حالی که ترکیب نئون هنوز ناشناخته مانده است.
پیدایش و تولید
فراوانی از گازهای نجیب در جهان کاهش به عنوان اتمی افزایش تعداد آنها. هلیم عنصر رایج ترین در جهان بعد از هیدروژن است، با کسر جرمی حدود 24٪. بیشتر هلیم در جهان در طول هسته انفجار بزرگ تشکیل شد، اما میزان هلیوم در حال افزایش است به دلیل همجوشی هیدروژن در هسته ستاره ای (و، به درجه بسیار جزئی، فروپاشی آلفا از عناصر سنگین). [52 ] [53] فراوانی بر روی زمین روند متفاوت را دنبال کنید. به عنوان مثال، هلیم تنها سوم گاز نجیب فراوان در جو است. دلیل آن این است که هیچ هلیوم اولیه در جو وجود دارد. با توجه به توده کوچکی از اتم، هلیوم را نمی توان توسط میدان گرانشی زمین باقی می ماند. [54] هلیم زمین می آید از فروپاشی آلفا از عناصر سنگین مانند اورانیوم و توریم موجود در پوسته زمین، و تمایل به تجمع در طبیعی ذخایر گاز. [54] فراوانی آرگون، از سوی دیگر، به عنوان یک نتیجه از آن فروپاشی بتا پتاسیم-40 افزایش یافته است، همچنین در پوسته زمین یافت می شود، به شکل آرگون-40 است که فراوان ترین ایزوتوپ از آرگون بر روی زمین با وجود اینکه در منظومه شمسی نسبتا نادر است. این فرایند پایه ای برای پتاسیم آرگون روش قدمت است [55] زنون دارای یک فراوانی به طور غیر منتظره کم در جو، در آنچه که مشکل زنون از دست رفته نامیده شده است. یک تئوری این است که زنون از دست رفته ممکن است در مواد معدنی در داخل پوسته زمین به دام افتاده. [56] پس از کشف دی اکسید زنون، تحقیقات نشان داد که زنون می تواند برای سی در کوارتز جایگزین. [57] رادون در پوسته زمین به عنوان تشکیل از فروپاشی آلفا رادیوم. این می تواند به ساختمان از طریق ترک در بنیاد خود نفوذ و در مناطقی که تهویه مناسب نمی تجمع می یابد. با توجه به رادیواکتیویته آن، رادون خطر بهداشتی قابل توجهی ارائه. از آن است که در حدود 21000 مرگ و میر سرطان ریه در هر سال در ایالات متحده به تنهایی نقش دارد. [58]
فراوانی هلیم نئون آرگون کریپتون زنون رادون
سیستم خورشیدی (برای هر اتم سیلیکون) [59] 2343 2.148 0.1025 5.515 × 10-5 5.391 × 10-6 -
جو (کسر حجمی در پی پی ام) زمین [60] 5.20 18.20 9340.00 1.10 0.09 (0.06-18) × 10-
سنگ های آذرین (کسر جرمی در پی پی ام) [24] 3 × 10-03 ژوئیه × 10-5 4 × 10/2 - - 1.7 × 10-10
برای استفاده در مقیاس بزرگ، هلیوم است که توسط تقطیر جزء به جزء از گاز طبیعی، که می تواند تا 7٪ هلیوم شامل استخراج شده است. [63]
نئون، آرگون، کریپتون و زنون از هوا با استفاده از روش مایع گازهای، برای تبدیل عناصر به حالت مایع، و تقطیر جزء به جزء به دست آمده، برای جدا کردن مخلوط را به قطعات و اجزای. هلیم است به طور معمول با جدا آن را از گاز طبیعی تولید، و رادون از تجزیه رادیواکتیو از ترکیبات رادیوم جدا شده است. [11] قیمت از گازهای نجیب توسط فراوانی طبیعی خود را تحت تاثیر قرار، با آرگون بودن ارزان ترین و زنون گران ترین. به عنوان مثال، جدول به سمت راست فهرستی از 2004 قیمت در ایالات متحده آمریکا برای مقادیر آزمایشگاهی از هر گاز.
گاز 2004 قیمت (USD / M3) [62]
هلیم (درجه صنعتی) 4.20-4.90
هلیم (درجه آزمایشگاهی) 22.30-44.90
آرگون 2.70-8.50
نئون 60-120
کریپتون 400-500
زنون 4000-5000
نرم افزار
گازهای نجیب دارای جوش بسیار پایین و نقطه ذوب، که آنها را به عنوان مبرد برودتی مفید می سازد [64] به طور خاص، هلیوم مایع، که می جوشد در 4.2 K (-268.95 ° C؛ -452.11 ° F).، برای آهنرباهای ابررسانا استفاده می شود، مانند کسانی که مورد نیاز در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته ای و تشدید مغناطیسی هسته ای است. [65] نئون مایع، اگر چه آن درجه حرارت به میزان کم هلیوم مایع رسیدن نیست، همچنین می یابد استفاده از سرد به دلیل آن است بیش از 40 برابر ظرفیت سردخانه بیش از هلیوم مایع و بیش از سه برابر بیشتر از هیدروژن مایع است. [61]
هلیم است به عنوان یک جزء از گازهای تنفسی به جای نیتروژن، به علت حلالیت کم آن در مایعات، به ویژه در چربی استفاده می شود. گازها توسط خون و بدن بافت جذب هنگامی که تحت فشار مانند در غواصی، که باعث اثر بی حس کننده شناخته شده به عنوان بی حالی ازت. [66] با توجه به حلالیت کاهش آن، هلیوم کمی به غشای سلولی گرفته، و هنگامی که هلیوم است به استفاده جایگزین بخشی از مخلوط تنفس، از جمله در trimix یا heliox، کاهش در اثر مواد مخدر از گاز در عمق به دست آمده است. [67] کاهش حلالیت هلیم را ارائه می دهد مزایای بیشتر برای بیماری شناخته شده به عنوان بیماری رفع فشار، یا خم. [11] [68] مقدار کاهش می یابد گاز حل شده در بدن بدین معنی است که حباب های گاز کمتر در طول کاهش فشار از صعود تشکیل می دهند. یکی دیگر از گاز نجیب، آرگون، در نظر گرفته شده بهترین گزینه برای استفاده به عنوان یک گاز تورم drysuit برای غواصی. [69] هلیم نیز به عنوان پر کردن گاز در میله های سوخت هسته ای برای راکتور هسته ای استفاده می شود. [70]
از آنجا که فاجعه هیندنبورگ در سال 1937، [71] هلیوم هیدروژن بعنوان گاز بالابرنده در بالن و بادکنک به دلیل سبکی و incombustibility آن جایگزین شده است، با وجود 8.6٪ [72] کاهش خاصیت شناوری. [11]
در بسیاری از برنامه های کاربردی، گازهای نجیب استفاده می شود برای ارائه یک فضای بی اثر است. آرگون در سنتز ترکیبات حساس به هوا که حساس به نیتروژن هستند استفاده می شود. آرگون جامد نیز برای مطالعه ترکیبات بسیار ناپایدار، مانند واسطه واکنش، توسط دام انداختن آنها را در یک ماتریس بی اثر در دمای بسیار پایین به عنوان یک گاز پرکننده برای دماسنج استفاده می شود. [73] هلیم است به عنوان رسانه حامل در کروماتوگرافی گازی استفاده می شود، ، و در دستگاه برای اندازه گیری اشعه، مانند شمارنده گایگر و محفظه حباب. [62] هلیم و آرگون هر دو معمولا استفاده می شود برای محافظت قوس جوشکاری و اطراف آن فلز پایه از جو در زمان جوش و برش، و همچنین در دیگر فرآیندهای متالورژیکی و در تولید سیلیکون برای صنعت نیمه هادی. [61]
گازهای نجیب معمولا در نور به دلیل عدم واکنش شیمیایی استفاده می شود. آرگون، مخلوط با نیتروژن، به عنوان یک گاز پرکننده برای لامپ های رشته ای استفاده می شود. [61] کریپتون است در عملکرد بالا لامپ، که درجه حرارت رنگ بالاتر و بهره وری بیشتر استفاده می شود، به دلیل آن را کاهش می دهد میزان تبخیر آب از رشته تر از آرگون. لامپ های هالوژن، به ویژه، استفاده از کریپتون مخلوط با مقدار کمی از ترکیبات ید یا برم. [61] گازهای نجیب در رنگ های متمایز درخشش زمانی که در داخل لامپ گاز، مانند "چراغ های نئون" استفاده می شود. این چراغ ها پس از نئون به نام اما اغلب دارای سایر گازها و مواد درخشان، که به رنگ نارنجی-قرمز نئون اضافه رنگ های مختلف. زنون است که معمولا در لامپ قوس زنون استفاده می شود که، با توجه به طیف تقریبا به طور مداوم خود را که شبیه نور روز، پیدا کردن برنامه در پروژکتور فیلم و به عنوان چراغ جلو چراغ خودرو. [61]
گازهای نجیب در لیزر رادیواکتیو، که در مولکول الکترونیکی هیجان زده کوتاه مدت شناخته شده به عنوان excimers بر اساس استفاده می شود.excimers مورد استفاده برای لیزر ممکن است دیمر گاز نجیب مانند AR2، Kr2 یا Xe2، و یا بیشتر به طور معمول، گاز نجیب با هالوژن در excimers مانند ARF، KRF، XEF، یا XeCl ترکیب شده است. این لیزر تولید نور ماورای بنفش که، با توجه به طول موج کوتاه آن (193 نانومتر برای ARF و 248 نانومتر برای KRF)، اجازه می دهد تا برای تصویربرداری با دقت بالا. لیزر رادیواکتیو بسیاری از کاربردهای صنعتی، پزشکی، و علمی است. آنها برای microlithography و microfabrication، که برای تولید مدار مجتمع ضروری است استفاده می شود، و برای عمل جراحی لیزر، از جمله آنژیوپلاستی لیزری و جراحی چشم. [74]
برخی از گازهای نجیب دارای کاربرد مستقیم در طب. هلیم است گاهی اوقات برای بهبود سهولت تنفس از افراد مبتلا به آسم استفاده می شود. [61] زنون به عنوان یک بی حس کننده به دلیل حلالیت بالا در چربی، که باعث می شود آن را قوی تر از اکسید نیتروژن معمول استفاده می شود، و به دلیل آن است به آسانی از حذف بدن، و در نتیجه بهبود سریع تر است. [75] زنون می یابد استفاده در تصویربرداری پزشکی از ریه ها از طریق MRI hyperpolarized. [76] رادون، که بسیار رادیواکتیو و تنها در مقدار دقیقه در دسترس است، در پرتو درمانی استفاده می شود. [11]
فهرست منابع در ترجمه انگلیسی موجود است.
نظرات شما عزیزان:
تبادل لینک هوشمند 
خبرنامه وب سایت: