MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA CHEMIE Vzácné plyny Anorganická chemie 2 Vypracovala: Tereza Baranová V Brně, 30. 10. 2017 Čestně prohlašuji, že jsem tuto práci vypracovala samostatně a pouze za využití pramenů, zmíněných v závěru práce. Obsah Obsah. 2 Úvod. 3 Historie. 3 Vlastnosti a charakteristika.. 4 Elektronegativita.. 6 Výskyt v přírodě. 7 Sloučeniny. 7 Laboratorní příprava a výroba.. 10 Význam a užití 10 Seznam obrázků. 11 Seznam tabulek. 11 Bibliografie.. 12 Úvod Vzácné plyny patří do 18. skupiny periodické tabulky prvků. Mezi vzácné plyny patří tyto prvky: helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn) a oganesson (Og). Vlevo od nich leží halogenidy, vpravo alkalické kovy. V periodické tabulce prvků tvoří vzácné plyny rozhraní mezi nejvýraznějšími kovy a nekovy. Prvky skupiny vzácných plynů tvoří pouze monoatomické molekuly. Tvoří 1 % zemské atmosféry, s největším zastoupením argon, ale také můžeme vzácné plyny najít ve vyvřelých horninách. Elektronová konfigurace valenční vrstvy je ns^2 np^6, kde n náleží číslům 2, 3, 4, 5, 6. Výjimkou je helium, jehož elektronová konfigurace je 1s^2. Vzácné plyny mají vysokou hodnotu ionizační energie, což je energie potřebná k utržení jednoho elektronu, a záporné hodnoty elektronové afinity, což je energie uvolněná při vzniku aniontu. Díky těmto vlastnostem nemají potřebu vzácné plyny vytvářet vazby a tím měnit svou elektronovou konfiguraci. Proto jsou tyto prvky inaktivní. Obrázek 1: Vzácné plyny, periodická tabulka prvků (Helmenstine, 2015) Historie V letech 1894-1898 společně objevili vzácné plyny lord John William Strutt Rayleigh, sir William Ramsay a Morris Travers, a poté jej izolovali. Helium získalo název podle slunečního světla, z řečtiny helios – slunce (sir J. N. Lockyer a sir E. Frankland). Neon z řečtiny neos – nový (sir W. Ramsay). Název argon pochází také z řečtiny, v překladu netečný, líný (lord J. W. S. Rayleigh). Krypton znamená v překladu z řečtiny líný (sir W. Ramsay). Z řečtiny pochází také xenon, což znamená cizí (sir W. Ramsay) a radon měl původně název emanace radiová, ale tento název později změnila Mezinárodní komise pro radioaktivitu na radon, aby byly sjednoceny koncovky všech vzácných plynů. V roce 1930 předpověděl Linus Pauling, že by mohlo být možné připravit fluorid xenonový a fluorid kryptonový, ale nikomu se to nepodařilo až do roku 1962. Na začátku 60. let se povedlo připravit fluorid platinový PtF[6], dříve nebyla známa žádná sloučenina prvků skupiny vzácných plynů. V roce 1962 se povedlo připravit tuhou sloučeninu chemického složení Xe[PtF[6]], kde xenon má kladné oxidační číslo. Tato sloučenina nastartovala nové bádání, nejčastěji sloučenin s xenonem, jelikož ten má nejnižší ionizační energii. V 80. letech se podařilo vytvořit KrF, v 90. letech kyseliny kryptonové a poprvé v roce 2002 byla vytvořena první sloučenina argonu, do této doby považovaná za nemožné. Vlastnosti a charakteristika Helium ([2]He) Helium je bezbarvý plynný prvek, bez chuti a zápachu. Helium tvoří 23 % vesmíru, čímž je po vodíku druhým nejrozšířenějším prvkem, ale pouze ve vesmíru, na Zemi se tolik nevyskytuje, jelikož je příliš lehké a gravitační pole jej neudrží. Je inertní, vytváří sloučeniny pouze s fullereny a se rtutí. Helium s protonovým číslem 2, se v přírodě vyskytuje jako izotop ^4He a v malém množství také ^3He. V tekutém stavu je helium supratekuté a supravodivé, to znamená, že má nulovou viskozitu, díky které je schopna vytékat z otevřené nádoby v opačném směru gravitace a dokáže výborně vést elektrický proud. Izotop tvoří v přírodě asi 99,99 %, jeho jádro se skládá ze 2 neutronů a 2 protonů, a nazývá se částice alfa. Zdrojem toho izotopu je alfa rozpad těžkých kovů. V roce 1974 bylo poprvé zpozorované jádro antihelia a v roce 2003 také systetizováno, o 8 let později bylo pozorováno i jádro antihelia -4. Supratekutost Jak už bylo výše popsáno, supratekutost je stav, při kterém má látka nulovou vizkozitu a je bez měřitelného odporu. Poprvé byla supratekutost pozorována v roce 1937. Supratekutost u helia nastává při lambda-teplotě, která je kolem 2,17 K. K přechodu do supratekutého stavu dochází u ^3He a ^4He při různých teplotách. ^4He nemá ve fázovém diagramu trojný bod, proto nedochází k jejímu zamrznutí ani v bodě absolutní nuly. Pevné ^4He pozorujeme pouze při tlaku 25 baru, což je 2 500 000 pascalů. Při dosažení teploty 2,17 K dochází k přechodu He I. (tekuté ^4He) na He II, které je supratekuté. Helium II. má asi 3milionkrát větší vodivost než helia I. Supratekutost izotopu ^3He byla objevena až v 70. letech a vykazuje až tři různé supratekuté fáze. Oba izotopy jsou za vysokých teplot vzájemně rozpustné. Neon ([10]Ne) Neon je stejně jako helium bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, je druhým nejrozšířenějším vzácným plynem v zemské atmosféře. Neon je tvořen 10 protony a má tři stabilní izotopy – ^20Ne, ^21Ne, ^22Ne. Kromě těchto stabilních izotopů má neon 17 nestabilních, které se přeměňují na další nuklidy. Argon ([18]Ar) Argon má stejné základní vlastnosti jako helium a neon. Ve vodě je rozpustnější než kyslík, lépe se rozpouští v nepolárních organických rozpouštědlech. Argon má tři stabilní izotopy z celkových 24 známých (^36Ar, ^38Ar, ^40Ar), izotop ^39Ar patří mezi nejstabilnější radioaktivní izotopy s poločasem přeměny 269 let. Krypton ([36]Kr) Krypton je také bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, sloučeniny tvoří pouze s fluorem a kyslím. Je dobře rozpustný ve vodě a v nepolárních organických rozpouštědlech. Krypton má šest stabilních izotopů a 27 radioizotopů. Xenon ([54]Xe) Xenon je bezbarvý, bez chuti a zápachu. Tvoří nestálé sloučeniny s fluorem, chlorem a kyslíkem, které jsou silnými oxidačními činidly. Je dobře rozpustný ve vodě a v nepolárních rozpuštědlech. Xenon má 32 umělých radioizotopů a devět stabilních izotopů. Izotop s nukleovým číslem 133 se využívá ve zdravotnictví, při zjišťování funkce plic nebo zobrazení mozku. Radon ([86]Rn) Radon je plyn bez barvy, chuti a zápachu. Vzniká při rozpadu radia a uranu, tvoří sloučeniny s fluorem, chlorem a kyslíkem. Je dobře rozpustný ve vodě a nepolárních organických rozpouštědlech. Nemá žádný stabilní izotop, je radioaktivní. Využívá se k zjišťování stáří vod v geologii. Při zvýšeném obsahu radonu narůstá nebezpečí rakoviny plic. ^222Rn má nejdelší poločas rozpadu (3,825 dní) a dále se rozpadá na polonium, olovo a bismut. Radon se může dostávat do budov z podloží, kde je jeho zvýšená koncentrace. Podle výzkumu Státního ústavu radiační ochrany z roku 2007, se nejvíce radonu vyskytuje na rozhraní středočeského a jihočeského kraje a v okolí města Třebíč. Oganesson ([118]Og) Byl poprvé syntetizován v moskevském Dubnu, v Rusku s pomocí vědců z Livermore v Californii. Název získal podle J. C. Oganessjana, který se podílel na první syntéze toto prvku. Prvek byl objeven v roce 2002, publikován byl v roce 2006. Ovšem poprvé byla tato syntéza publikována v roce 1999. Byla uskutečněna v Darmstadtu, ale jelikož se nepovedlo syntézu provézt opakovaně, nebylo možné ji považovat za úspěšnou. Název vzešel v planost 8. 11. 2016, po návrhu IUPACu. Elektronegativita Elektronegativita je definována jako schopnost poutat atomy. Tuto definici ovšem nemůžeme použít u vzácných plynů, jelikož mají vysoké hodnoty elektronegativity, ale nechtějí tvořit sloučeniny. Proto se využívá druhé definice, která říká, že elektronegativita je součet elektronové afinity a ionizační energie, dělené dvěmi. Neon má vysokou hodnotu ionizační energie a nulovou hodnotu elektronové afinity, proto ve výsledku má vyšší elektronegativitu než fluor, který byl považován do roku 2002 za prvek s nejvyšší elektronegativitou. V některých starších chemických tabulkách se stále neudává elektronegativita vzácných plynů. Helium – 5; neon – 4,5; argon – 3,5; krypton 3,2 a xenon 2,5. Tabulka 1: Fyzikální vlastnosti vzácných plynů (Lásko, 2013) Plyn He Ne Ar Kr Xe Rn Teplota varu (K) 4,2 27,1 87,3 119,7 165,0 211,0 Teplota varu (°C) - 269,0 - 246,1 - 185,9 - 153,5 - 108,2 - 62,2 Teplota tání (K) - 24,5 83,8 115,9 161,0 202,0 Teplota tání (°C) - - 248,7 - 189,4 - 157,3 - 112,2 - 71,2 Hustota (kg/m^3) 0,178 0,900 1,784 3,749 5,897 9,730 Výskyt v přírodě Helium se nachází v plynných uhlovodících, v uhlí a zemní plynu. Jádra helia jsou a částice, které doprovází všechny jaderné reakce. Argon tvoří atmosféru (asi 1 %). Radon se vyskytuje v podloží, vzniká rozpadem uranu. Sloučeniny Sloučeniny vzácných plynů byly zkoumány hlavně u xenonu, jelikož ten má největší předpoklad k tvorbě sloučenin. Tvoří nejvíce sloučenin od oxidačního čísla II až VII. Pravděpodobně existují i fluoridy radonu, oproti tomu sloučeniny helia a neonu nejsou známy. Do roku 1962 byly známy pouze klathráty, jakožto sloučeniny vzácných plynů. Klathráty Klathráty jsou sloučeniny nestechiometrického složení, pouze s ideálním složením. Tyto sloučeniny jsou celkem stálé a dokáží uvolňovat plyny při tání nebo rozpouštění. Nejvíce známé jsou tvořené kryptonem, xenonem a argonem společně s hydrochinonem a vodou. Neon a helium klathráty netvoří. Získáváme je krystalizací za přítomnosti vzácního plynu při tlaku 1 – 4 MPa. Získaná sloučenina je tvořena hydrochinonem, který je spojen vodíkovými vazbami v krystalové mřížce a uvnitř je vmezeřena molekula plynu. Mezi nimi jsou slabé vazebné van der Waalsovy síly. Pomocí klathrátů dokážeme skladovat a pracovat se vzácnými plyny. Halogenidy První pokusy slučování xenonu se povedly s fluorem, se kterým vytvořil fluoridy. Tyto sloučeniny byly prováděny za nízkých teplot, v elektrickém výboji, ale také i za zvýšené teploty a tlaku. Tyto fluoridy jsou bezbarvé, krystalické látky. Získáváme je přímou syntézou s upravenými podmínkami. XeF[2] – fluorid xenonatý - připravuje se zahříváním fluoru s xenonem (při 400 °C v niklové nádobě) - bílá krystalická látka - fluorační činidlo, roztok je silné oxidační činidlo - při přítomnosti zásady dochází k okamžitému rozkladu XeF[4] – fluorid xenoničitý - připravuje se zahříváním xenonu a fluoru v poměru 1:5 (při 400 °C, v niklové nádobě, za tlaku 0,6 MPa) - bílá krystalická látka, lehce sublimovatelná - silnější fluorační činidlo - reakcí s vodou vzniká oxid xenonový XeF[6] – fluorid xenonový - připravuje se zahříváním xenonu a flurou v poměru 1:20 (na 250 až 300 °C, v niklové nádobě při 5 až 6 MPa) - krystalická pevná látka - těkavější než předešlé dva fluoridy - pevný je bezbarvý, kapalný a plynný je žlutý - silnější oxidační činidlo KrF[2] – difluorid kryptnatý - těkavá, bezbarvá, pevná látka - vzniká účinkem elektrického výboje - tepelně nestabilní, rozkládá se při normální teplotě - rychleji rozkádá vodu i bez přítomnosti hydroxidů - při laboratorní teplotě se slučuje se zlatem a oxiduje jej KrF[4 ]– fluorid kryptoničitý Oxidy Díky sloučení xenonu s fluorem, za vzniku fluoridu xenonového se podařilo připravit další kyslíkaté sloučeniny. XeO[3] – oxid xenonový - vzniká hydrolýzou XeF[6] pomocí vodní páry - explozivní, bezbarvá, krystalická látka - reaguje s koncentrovanými roztoky silných zásad XeF[6] + 3 H[2]O = 6 HF + XeO[3] [ ] XeO[4 ]– oxid xenoničelý - vznik z xenoničelanů, explozivní - nestabilní plynná látka Kyseliny a soli H[2]XeO[4] – kyselina xenonová BaKrO[4 ]– kryptonan barnatý Další sloučeniny XeO[2]F[2 ]– difluorid-dioxid xenonový XeOF[4] – tetrafluorid-oxid xenonový XeOF[2 ]– difluorid-oxid xenoničitý Xe(OH)[2 ]– hydroxid xenonatý fluoroxenonany Cs[XeF[7]]- heptafluoroxenonan cesný Cs[2][XeF[8]] – oktafluoroxenonan discesný Rb[XeF[7]] – heptafluoroxenonan rubidný xenoničelany alkalických kovů a kovů alkalických zemin Na[4]XeO[6].nH[2]O – n-hydrát xenoničelanu sodného K[4]XeO[6].9H[2]O – nonahydrát xenoničelanu draselného Ba[2]XeO[6].1,5H[2]O – seskvihydrát xenoničelanu barnatého Obrázek 2: Strukturní vzorce sloučenin xenonu (Prof. Dr. Inf. Jiří Klikorka, 1989) Laboratorní příprava a výroba Všechny vzácné plyny se získavají frakční destilací zkapalněného vzduchu. Helium se vyrábí zkapalněním zemního plynu, ve kterém musí být obsah helia více než 0,2 obj. %. Dochází ke kondenzaci a zbytek helia se následně dočišťuje. Radon získáváme z chloridu radnatého, který se po delší době v uzavřeném prostoru rozdělí na Rn, H[2] a O[2]. Radon se odstraní kapalným dusíkem, nebo se vyčistí aktivním uhlím. Význam a užití Helium se využívá v raketové technice a v urychlovačích. Nahradil vodík v balónech, protože není hořlavý, díky čemuž nemůže dojít ke vznícení. Je poměrně drahý, proto se využívá pouze v meteorologických balónech. V turistých balónech se používá horkého vzduchu. Dále se využívá s pomocí kyslíku a dusíku k plnění lahví pro potápěče. Tato směs zmenšuje riziko vzniku kesonové nemoci, která vzniká při výstupech potápěčů k hladině. Výboj helia má žlutou barvu a ve směsi s neonem se využívá k plnění reklamních osvětlovačů. Argon nahrazuje helium v ochranné atmosféře při svařování a při práci s hořlavinami. Dále se využívá v analytické chemii jako indukčně vázené plazma (ICP), díky kterému se zvyšuje přesnost v analytických laboratořích. Využívá se argonové plazma, do kterého se přidává kapalný vzorek, u kterého chceme zjistit například vlnovou délku. Radon je zdrojem a záření, má ovšem krátký poločas rozpadu. Využívá se při léčení nemocí pohybového aparátu. Pomocí radonové vody se v lázních Jáchymov léčí už několik desítek let. Využívá se izotopu 222, který vyvěrá v hlubinách Krušných hor a rozpuští se v podzemní vodě. Energie z vody stimuluje regeneraci tkání, likviduje škodlivé stresory, zvyšuje tvorbu hormonů a napomáhá imunitě. Ovšem při větším působení je radon stále nebezpečný. Krypton se využivá k vyšetřování plic v nukleární medicíně. Neon, argon, krypton a xenon byly dříve používány v žárovách, dnes je jejich využítí pouze v reklamním průmyslu, při výrobě výbojek. Helium je červené, neon oranžový, argon modrý, krypton fialový a xenon modro-fialový. Seznam obrázků Obrázek 1: Vzácné plyny, periodická tabulka prvků (Helmenstine, 2015)...................................... 3 Obrázek 2: Strukturní vzorce sloučenin xenonu (Prof. Dr. Inf. Jiří Klikorka, 1989)......................... 8 Seznam tabulek Tabulka 1: Fyzikální vlastnosti vzácných plynů (Lásko, 2013)........................................................ 6 Bibliografie Air Products. (2017). Air Products. Načteno z Air Products: http://www.airproducts.cz/industries/Analytical-Laboratories/analytical-lab-applications/product-li st/inductively-coupled-plasma-icp-analytical-laboratories.aspx?itemId=8E471387439C4B518218FC44F3748 E3D Břížďala, M. J. (nedatováno). e-chembook, multimediální učebnice chemie. Načteno z E-ChemBook: http://e-chembook.eu/vzacne-plyny Doc. RNDr. Luděk Jančář, C. (2013). Periodická soustava prvků. Brno: Masarykova univerzita. Helmenstine, T. (1. Leden 2015). Science notes. Načteno z Science notes: https://sciencenotes.org/printable-periodic-table-chart-2015/ Lásko, J. (2013). Vzácné plyny ve výuce na středních školách. Univerzita Palackého v Olomouci. Olomouc: Univerzita Palackého. Léčebné lázně Jáchymov a.s. (2017). Léčebné lázně Jáchymov a.s. Načteno z Lázně Jáchymov: https://www.laznejachymov.cz/cim-lecime/ N. N. Greenwood, A. E. (1993). Chemie prvků. (C. prof. Ing. František Jursík, Překl.) Praha: Informatorium. Prof. Dr. Inf. Jiří Klikorka, D. P. (1989). Obecná a anorganická chemie. Praha: Nakladatelství technické literatury Alfa. Prvky. (2009-2017). Načteno z Prvky: http://www.prvky.com/36.html Skupina supratekutosti. (nedatováno). Skupina supratekutosti. (D. prof. RNDr. Ladislav Skrbek, Producent) Načteno z Superfluid: https://superfluid.cz/supratekutost Vzácné plyny. (4. 10. 2017). Wikipedie: Otevřená encyklopedie. Získáno 10:53, 2. 12. 2017 z https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Vz%C3%A1cn%C3%A9_plyny&oldid=15393941.