Инертные газы 2(б)

    К ксенону в  лампах  накаливания   добавляют иод, который взаимодействует   с вольфрамом, осевшим на стенках колбы, а ксенон, находящийся в колбе под давлением  2,5-6 атм., способствует обратному переносу  вольфрама со стенок на нить.  Добавление иода  позволяет в 150-200 раз уменьшить объем лампы и удлинить  срок службы лампы в 30 раз, тем самым сократить расход ксенона.

        Возможно применение ксенона  в качестве идеального усыпляющего средства. Смесь из 80 %  ксенона и 20 % кислорода выключает сознание больного. Действие ксенона на человека прекращается с прекращением его подачи больному. И он не воспламеняется, может долго храниться, нетоксичен.

        Ксенон применяется в одной из разновидностей  пузырьковой  камеры, используемой в физике для исследования  элементарных частиц.

               А твердый ксенон, охлажденный  жидким азотом, может служить   рабочим телом лазера.

  6, Применение радона.

              Приборами эманометрами можно зафиксировать даже немногочисленные атомы радиоактивного радона. Им определяют содержание радона в почвенном воздухе, чтобы судить о плотности и газопроницаемости  горных пород. Засасывая воздух из буровых скважин с разных горизонтов, по содержанию радона определяют свойства горных пород на больших глубинах. Радон служит индикатором содержания радия, а также помогает обнаружить  сопутствующие  радию руды тугоплавких металлов.

              Смесь радона с бериллием   является источником  нейтронов. Наблюдая изменение концентрации радона в  воздухе, можно  судить о перемещении воздушных масс в атмосфере, что позволяет предсказывать погоду.

             Радиоактивный радон вводится  в газ для исследования потоков  газов в трубопроводах. Радон  помогает исследовать состояние и дефекты  различных материалов, следить за ходом технологических процессов в производстве таких несхожих материалов, как сталь и стекло.

            Несмотря на то, что из радиоактивных  ядов радон-один из самых опасных, он применяется для лечения некоторых заболеваний. Для этой цели используются некоторые  источники минеральных вод.

            Было замечено повышение концентрации  радона и  некоторых других  элементов в подземных  водах,  находящихся близ эпицентра землетрясения.  Это позволит создать метод прогноза землетрясений.

           ИЗОТОПНЫЙ  СОТАВ  ИНЕРТНЫХ  ГАЗОВ. 

           В  природе  существуют два  стабильных изотопа гелия: гелий–3  (0,0001 %) и гелий-4 (99,9999 %). Таким образом, легкий изотоп  распространен на Земле в миллион раз меньше, чем тяжелый. Это самый редкий   из стабильных изотопов, существующих на Земле. Искусственно  получены еще три изотопа гелия: гелий-5 , гелий-6  и гелий-8. Все они радиоактивные. Периоды полураспада ⁵₂Не-2,4 ²¹секунд, ⁶₂Не-0,83 секунды, ⁸₂Не -0,18 секунды. Распадаясь, гелий-5  излучает нейтроны, а гелий-6 – электроны и антинейтрино. Распад  гелия-8 ведет к получению двух атомов  обычного гелия-4:

            ⁸₂ Неà _-⁰b +⁸₃ Lià_-⁰b +⁸₂ Be à2 ⁴₂ He

          У неона три стабильных изотопа:²⁰₁₀ Ne,(90,92 %), ²¹₁₀Ne (0,257%), ²²Ne (8,82%).  Искусственно получены радиоактивные изотопы, но все они короткоживущие. Периоды полураспада для неона-8  - 1,5 сек., для неона–19   -17,7 сек, для неона-23 -37,6 сек, а для неона-24 - 3,38 мин.

         У аргона три стабильных изотопа: ⁴⁰₁₈Ar (99,60 %)`,  ³⁸Ar (0,063 %), ³⁶Ar (0,337%). Из искусственных радиоактивных изотопов наибольший период полураспада имеет ³⁹Ar - 265 лет. А у ³⁷Ar период полураспада 34 дня, и он применяется как радиоактивый индикатор.

            Природный криптон состоит из шести стабильных изотопов: ⁷⁸Kr (0,353 %), ⁸⁰Kr (2,27 %), ⁸²Kr (11,56 %),  ⁸³Kr (11,55 % ), ⁸⁴ Kr ( 56,90 % ), ⁸⁶Kr ( 17,37 % ). И все они есть в горных породах, природных водах и в атмосфере.  В ядерных реакциях искусственно получены  18 радиоактивных  изотопов криптона с массовыми числами от 72 до 95.  Некоторые из этих изотопов нашли применение как радиоактивные индикаторы и генераторы  излучения. Особо важным  оказался криптон–85,  который  является почти  чистым b-излучателем с периодом полураспада  10,3 года.

          Ксенон представлен в атмосфере  группой из девяти изотопов:¹²⁴ Xe (0,096 % ), ¹²⁶ Xe (0,09 %), ¹²⁸Xe (1,919 %), ¹²⁹ Xe ( 26,44 % ),  ¹³⁰ Xe ( 4,08 % ),  ¹³¹ Xe ( 21,18 % ),  ¹³² Xe ( 26,89 % ),

¹³⁴ Xe (10,44 % ), ¹³⁶ Xe ( 8,87 % ). Радиоактивные изотопы ксенона тоже многочисленны. Их массовые числа от 113 до 145 , а период полураспада самого долгоживущего ¹²⁷ Хе -13,4  суток.

 Радиоактивный   изотоп ксенон-135 с периодом полураспада  9,13 часа  является  сильнейшим  поглотителем  тепловых нейтронов.

            Радон имеет  19 радиоактивных   короткоживущих  изотопов с массовыми  числами от 204 до 224. Самый устойчивый  радон-222 с периодом полураспада 3,8229 дня. Существует в природе как одно из промежуточных звеньев в цепи распада урана-238. Искусственно получено еще 16 изотопов.

            Радоном был назван наиболее  долгоживущий  и  важный изотоп. Общее их название « радон» указывает на положение этого семейства в периодической системе. Известны четыре вида  естественных изотопов, являющихся  членами всех трех природных радиоактивных семейств.  Каждый изотоп – это промежуточное звено в  цепи распада  соответствующего  материнского элемента. В семействе урана–238 рождается изотоп  радий-222 – продукт распада  изотопа радия–226.  Наряду с этим  изотопом в семействе урана возникает еще один короткоживущий  изотоп радон-218 с периодом полураспада 0,019 сек., который является  продуктом превращения полония-218. Третий естественный изотоп радон-224 ( торон ) возникает в семействе тория как продукт распада радия-224. Наконец, изотоп  радона-219  (актион ) образуется из радия –223  в семействе урана-235.

      ФИЗИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА  ИНЕРТНЫХ  ГАЗОВ.

* При  давлении 25,27 атм.

    Как видно из электронных  формул атомов  инертных газов они имеют до отказа  укомплектованную  внешнюю электронную  оболочку (энергетический уровень). Требуется воздействие больших энергий, чтобы они вышли из этого состояния.

            Такая насыщенность электронной оболочки и в связи с этим  максимальная ее прочность влияют на химические и физические свойства инертных газов.

            Мерой прочности связи между  внешним электроном и ядром  атома служит ионизационный потенциал  атома. Инертные газы имеют самые большие значения ионизационных потенциалов  в своем периоде. Чем большая затрата энергии требуется для отрыва электрона от атома инертного газа, тем труднее осуществляется и обратное – присоединить к атому избыточный электрон, то есть превратить его в отрицательно заряженный ион.

           Все инертные газы имеют гораздо  более низкие температуры кипения  по сравнению с прочими элементами  тех же периодов. Даже радон,  атом которого тяжелее атома  свинца, является газом, закипающим при –62 ⁰ С.

           А гелий и неон имеют   самые низкие  среди всех веществ  точки кипения. В сжиженном  виде – это самые холодные  жидкости. Твердый же гелий невозможно  получить даже при температуре   очень близкой к абсолютному  нулю, если не повысить давление.

            И температуры плавления у инертных газов тоже  минимальные для своего периода. Это  является  следствием того, что силы, стягивающие их атомы в жидкие и твердые агрегаты, очень слабы. Каким же образом  молекулы инертных газов соединяются между собой, когда газ сгущается в жидкость, а жидкость превращается  в твердое  тело? Электронные структуры  атомов инертных газов настолько симметричны и замкнуты, что из них невозможно получить  диполей – ни постоянных, ни наведенных. Между этими атомами возникает третий тип  сил межмолекулярного взаимодействия, названных немецким  ученым  Ф. Лондоном дисперсионными силами. Они возникают также вследствие взаимной поляризации молекул, но тут участвуют особого рода диполи, появляющиеся периодически, очень  часто и на ничтожно короткие  отрезки времени. Эти системы обязаны  своим происхождением  повторяющимся временным смещением  части электронного облака  относительно ядер: ведь не только электроны перемещаются по электронным облакам, но и ядра колеблются  около своих  положений равновесия. Затем короткопериодические    диполи встречных атомов ориентируются  разноименными полюсами  и притягиваются друг к другу. Относительная слабость дисперсионных сил и способность их  проявляться лишь при наиболее тесном контакте молекул требуют глубокого охлаждения  для сжижения и отвердевания инертных газов. При низких температурах тепловое движение  молекул становится незначительным и не мешает контакту молекул друг с другом. Дисперсионные силы увеличиваются с увеличением  массы атомов и этим объясняется повышение  температур  кипения и плавления  от гелия к радону.

         Было установлено, что инертные  газы обладают  максимальной энтропией  в своих периодах. Энтропия - это функция, характеризующая меру беспорядка в системе, меру рассеивания ею энергии.  Большое значение энтропии у инертных газов объясняет большие величины их атомных объемов, большие молярные объемы в твердом состоянии. Чем больше величина  энтропии вещества, тем значительнее та часть энергии, которую невозможно  превратить в работу, включая и химическую  работу.. Поэтому  эти газы обладают инертностью не только с точки зрения  реакционной способности, но и термодинамики.

           Так как силы сцепления   между атомами  инертных газов  малы, то их  точки плавления близки к точкам кипения, как ни у одного   другого элемента.  Этим же объясняются малые значения  теплот испарения и плавления инертных газов: достаточно слабого теплового возбуждения, чтобы вызвать плавление отвержденных  и кипения сжиженных газов. Чем больше атомный номер инертного газа, тем выше величины теплот испарения и плавления, так как  из-за увеличения  деформируемости    и поляризуемости  атомов усиливаются  силы сцепления между атомами. Теплота испарения  ксенона почти в 150 раз больше, чем у гелия.

           Слабость сил связи между атомами  влияют на их растворимость  в воде  и других  жидкостях.  Инертные газы  хуже растворяются , чем все остальные газы. Менее  всех растворим гелий - самый легкий и подвижный инертный газ. В 1 л воды  растворяется менее 10 см³ гелия, это в 2 раза меньше, чем водород, и в 51000 раз меньше, чем  хлористый водород. Лучше, но все же плохо растворяются  инертные газы в некоторых органических  растворителях  и сжиженных газах. В присутствии электролитов растворимость газов снижается. Потому в морской воде пониженное содержание инертных газов по сравнению с речной.