Элементы 18-й группы

В результате изучения данной главы студент должен: знать

• • особенности строения внешних электронных оболочек элементов 18-й группы;
• • причинно-следственные связи инертности гелия и неона, а также способность аргона и ксенона образовывать ковалентные связи;
• • свойства оксидов и фторидов ксенона и их возможное практическое применение;

уметь

• • составлять уравнения реакций, характеризующих свойства аргона и ксенона; владеть
• • навыками интерпретации важнейших свойств элементов 18-й группы.

Общая характеристика

Элементы гелий Не, неон Ne, аргон Аг, криптон Кг, ксенон Хе, радон Rn составляют 18-ю группу и называются благородными. К этой же группе относится 118-й элемент, синтезированный в нашей стране.

Историческая справка Гелий был первоначально открыт при исследовании атмосферы Солнца спектральным методом в 1861 г. Спустя 13 лет об открытии гелия в вулканических газах сообщил Л. Пальмиери, однако его сообщение осталось незамеченным. Вторично земной гелий был открыт У. Рамзаем в 1895 г.

В период с 1894 по 1898 г. У. Рамзай и Дж. У. Рэлей совместно описали неон и аргон. Криптон был открыт в 1898 г. Рамзаем, а ксенон — в 1894 г. У. Рамзаем и М. Траверсом.

В течение 1900—1904 гг. Э. Резерфорд и А. Оуэнс, У. Рамзай и Ф. Содди, Е. Дорн, Д. Дебьерн почти одновременно и независимо друг от друга открыли и описали различные изотопы ксенона.

Электронные структуры атомов элементов 18-й группы представлены ниже:

• 2Не — Is²;
• 10Ne — ls²2s²2p⁶;
• 18Аг — ls²2s²2//'3s²3/?⁶;
• 36Kr — ls²2s²2/?⁶3s²3/?⁶3rf¹⁰4s²4j9⁶;
• 54Xe — s²2s²2p⁶3s²3p^G'3d^[04s²4p4d^l05s²5p⁶]
• 8GRn — ls²2s²2p⁶3s²3p^G3d^l04s²4p⁶4d^l04f^[/i5s²5p^G5d^w6s²6p^G.

Оболочка гелия состоит только из двух электронов. Остальные же элементы на внешних оболочках содержат по восемь электронов. Конфигурация внешних электронных оболочек неона, аргона, криптона, ксенона и радона выражается формулой ns²np⁶:

Таким образом, внешние оболочки имеют замкнутые электронные конфигурации. Отсутствие неспаренных электронов указывает на невозможность образования соединений за счет ковалентной связи, поэтому молекулы благородных газов одноатомны.

Некоторые константы благородных газов приведены в табл. 17.1.

Таблица 17.1

Физические константы элементы 18-й группы.

Атом гелия является самым инертным из всех химических элементов. Орбитали его электронов совершенно одинаковы и располагаются на предельно минимальном расстоянии от ядра.

У атома неона замкнутая электронная оболочка: на двух электронных уровнях находятся соответственно два и восемь электронов. Неон расположен во втором периоде и характеризуется исключительно высокой химической инертностью; в этом отношении он может сравниться с гелием.

Аргон, криптон, ксенон и радон располагаются соответственно в третьем, четвертом, пятом и шестом периодах, и, следовательно, на внешних уровнях у этих атомов кроме заполненных s- и p-подуровней появляются вакантные ячейки ^/-подуровней. В качестве примера рассмотрим аргон:

Исходя из теории образования химической связи можно предположить, что наличие вакантных ячеек в подуровнях одного и того же уровня создает предпосылки для перехода атома из невозбужденного состояния в возбужденное и при этом образуются соответствующие количества неснарснных электронов. Поэтому можно было бы допустить возможность такого перехода для аргона (равно и для Кг, Хе и Rn):

Установлено, однако, что общие затраты энергии для осуществления такого возбуждения и формирования восьми гибридных орбиталей не компенсируются выигрышем энергии при образовании двухэлектронных ковалентных связей (как, например, у НС1, HF).

У криптона, ксенона и радона внешние электроны находятся в тех же состояниях на четвертом, пятом и шестом уровнях соответственно. Так как возбуждение электронов внешних уровней может протекать частично, то и ожидаемая ковалентность по мере образования неспаренных электронов должна расти с 0 до 2, 4, 6 и 8.

В 1932 г. Л. Полингом, развившим представления о валентных связях, было высказано предположение о возможности существования фторидов криптона и ксенона. В пользу этой гипотезы говорит то, что сопоставление величин ионизационных потенциалов для элементов разных периодов указывает на более легкий отрыв электрона от ксенона, чем от атома азота или кислорода. Из приведенных на рис. 17.1 сравнительных данных очевидно, например, что ионизационный потенциал криптона и ксенона ниже, чем у азота.

Рис. 17.1. Сравнительные данные ионизационных потенциалов.

Следовательно, от Кг, Хе и Rn возможен отрыв электрона и перевод их в состояние окисления +1.