prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

15

HELOWCE (GAZY SZLACHETNE)

Ogólna charakterystyka

Symbol Nazwa

Walenc.
Konfig.
Elektr.

Temp.
wrzenia
(około)

zawartość w
powietrzu
( % obj.)

He

hel

1s

2

4,2 K 0,0005

Ne

neon

2s

2

p

6

27 K

0,0016

Ar

argon

3s

2

p

6

87 K

0,9325

Kr

krypton 4s

2

p

6

120 K 0,0001

Xe

ksenon

5s

2

p

6

165 K

8

x

10

-6

Rn

radon

6s

2

p

6

211 K

Bardzo trwałe konfiguracje elektronowe

Powietrze: N

2

77,4 K 78,09 %

O

2

90,2 K 20,95 %

inne (CO

2

, H

2

) ok. 0,03 %

Wszechświat: Hel jest 2-gim po wodorze
pod względem rozpowszechnienia

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

16

Właściwości fizyczne helowców

Są to gazy bezbarwne, bez smaku i zapachu.

Hel wykazuje najniższą temperaturę wrzenia: 4,2 K

(= temp. skroplenia pod normalnym ciśnieniem),
dlatego ciekły hel stosowany jest do otrzymywania najniższych
temperatur, tzw. helowych w kriotechnice).

Skroplony hel występuje w 2 odmianach:

hel I – własności cieczy (poniżej 4K)

hel II – „ nadciekły”

powstaje w temp. 2,17 K i p = ok. 5 000

Pa

ma bardzo małą lepkość i bardzo dobre
przewodnictwo cieplne
(1000 razy większe od przewodnictwa miedzi)
- stan nadciekły helu

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

17

Helowce występują w postaci cząsteczek

jednoatomowych

cząsteczka He

2

jest nietrwała

He

2

He

2

+

HeH

+

jest mniej trwały trwalszy trwalszy

niż dwa atomy niż He i He

+

niż He i H

+

helu oddzielnie

Jony He

2

+

i HeH

+

powstają w czasie wyładowań

atmosferycznych.

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

18

Otrzymywanie helowców

a) frakcjonowana destylacja powietrza

- wszystkie helowce z wyjątkiem radonu

b) He uzyskuje się też z gazu ziemnego

c) He i Ar powstają wskutek naturalnych

przemian promieniotwórczych, np.

226

Ra →

222

Rn +

4

He przemiana

α (

4

He)

40

K →

40

Ar +

0

β

+

Radon (Rn) jest naturalnym pierwiastkiem
promieniotwórczym. Znane są 23 izotopy Rn

3 główne izotopy radonu:
T

1/2

------------

radon

222

Rn (z szeregu U-Ra) 3,8 dnia

toron

220

Rn (Th - torowy) 56 s

aktynon

219

Rn (U-Ac aktynowy) 4 s

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

19

Radon dyfunduje z podłoża (ze skorupy ziemskiej)

- najwięcej: w skałach granitowych
i w starych kopalniach rud uranu

- najmniej w skałach wapiennych

Jest 7,5 razy cięższy od powietrza
- akumuluje się w pomieszczeniach zamkniętych

wg zarządzenia Państwowej Agencji Atomistyki (1995 r)
dopuszczalne średnie roczne stężenie

222

Rn

w budynkach

do 200 Bq/m

3

(Bq = bekerel, jednostka aktywności ciała promieniotwórczego).

(nowe budynki muszą mieć atest radonowy)

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

20

Właściwości chemiczne helowców

a) Rayleigh i Ramsey odkryli helowce

(1894-1898) ale nie udało im się wykryć żadnej reakcji
chemicznej tych pierwiastków – nieaktywne?

b) Bartlett, 1960:

+6 +1 +5

Xe + PtF

6

= XePtF

6

heksafluoro-

platynian(V)
ksenonu

Związek o barwie czerwono-pomarańcz.

Xe

+

[PtF

6

]

-

stały i trwały w temp. pokojowej.

Budowa jonowa w stanie stałym.

c) w latach 1960-64 otrzymano ponad

40 związków ksenonu, kryptonu i radonu

nadal nieznane są żadne związki He i Ne

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

21

Związki Xe, Kr i Rn z fluorowcami

najważniejsze są fluorki ksenonu – z nich otrzymywane są inne
związki ksenonu

fluorki: XeF

2

, XeF

4

, XeF

6

KrF

4

powstają w czasie ogrzewania lub podczas wyładowań
elektrycznych :

Xe + F

2

= XeF

2

bezbarwne

ciała

XeF

2

+ F

2

= XeF

4

krystaliczne

XeF

4

+ F

2

= XeF

6

F

F Xe F

F

Struktura kwadratowa

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

22

Związki Xe z tlenem

Tritlenek ksenonu: XeO

3

bezbarwne ciało stałe
struktura piramidy trygonalnej

powstaje: XeF

6

+ 3H

2

O = XeO

3

+ 6HF

(XeO

3

w r-rze wodnym jest silnym utleniaczem:

Mn

2+

ÆMnO

4

-

)

Oxofluorki: XeOF

4

XeO

2

F

2

Powstają: np. XeF

6

+ H

2

O = XeOF

4

+ 2HF

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

23

Klatraty

(od łacińskiego słowa clathratus –

zamknięty w klatce

Niektóre związki chemiczne, np.

OH

OH

OH

NH

2

hydrochinon fenol anilina

podczas krzepnięcia OKLUDUJĄ

we wnękach swej sieci przestrzennej takie

cząsteczki obce jak: SO

2

, H

2

S, HCl, Ar, Xe.

( i inne gazy szlachetne z wyjątkiem He).

Wnęki mają średnicę do kilkuset pm

Cząsteczki obce zostają we wnękach uwięzione w

sposób mechaniczny, bez wiązań chemicznych.

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

24

np. klatraty hydrochinonu – substancji
macierzystej
z ksenonem i argonem:

[C

6

H

4

(OH)

2

]

3

· 0,88 Xe [C

6

H

4

(OH)

2

]

3

· 0,8 Ar

Gazy: Ar i Xe można odzyskać rozpuszczając
klatrat np. w alkoholu metylowym
lub ogrzewając w 390 K

Klatraty: hydraty helowców

Y · 5,75 H

2

O (Y – atom helowca)

Cząsteczki wody krzepną w obecności helowców.

Komórka elementarna zawiera 46 cząsteczek

wody, między którymi jest 8 wnęk (luk) –

wypełnianych przez helowce.

Stosunek liczby cząsteczek H

2

O : cząsteczek Y=

46/8 = 5,75

prof. dr hab. inż. Danuta Michalska-Fąk ; Chemia Nieorganiczna II – Seminarium – Kurs CHC1041s ; www.ch.pwr.wroc.pl/~d.michalska

25

Zastosowanie helowców

a) He: do napełniania balonów (nie jest
palny i nie przenika przez powłokę balonu)

b) mieszanina O

2

i He

- gaz, którym oddychają

nurkowie przy podwyższonym ciśnieniu.

He rozpuszcza się we krwi w znacznie mniejszym
stopniu niż N

2

, który może wydzielić się w postaci

pęcherzyków zamykających naczynie krwionośne
(kiedy gwałtownie zmniejszy się ciśnienie).

c) skroplony He

(4 K) – w laboratoriach

naukowych

d) Kr, Xe

- do napełniania żarówek (są trwalsze,

bo ograniczają powolne parowanie metalu (W)
z rozżarzonego włókna wolframowego).

e) Produkcja barwnych świateł „neonów” :

Rozrzedzone gazy szlachetne podczas
wyładowań elektrycznych emitują barwne
światło: Ne -

c

c

z

z

e

e

r

r

w

w

o

o

n

n

e

e

, He -

ż

ż

ó

ó

ł

ł

t

t

e

e

,

He + Hg

(gaz)

-

n

n

i

i

e

e

b

b

i

i

e

e

s

s

k

k

i

i

e

e