18. skupina PSP: Vzácné plyny 1 18. skupina PSP: Vzácné plyny • Výskyt • Základní charakteristika • Laboratorní příprava/Průmyslová výroba • Použití • Chemická reaktivita • Sloučeniny 2 Výskyt • Frakční destilací zkapalněného vzduchu se získávají Ar, Ne, Kr a Xe 3 Plyn Objemový podíl (%) Dusík 78,084 Kyslík 20,946 Argon 0,934 Oxid uhličitý 0,04 Neon 0,00182 Helium 0,000524 Methan 0,00017 Krypton 0,00014 Vodík 0,000055 … Xenon ~0,000009 Tabulka: Složení zemské atmosféry Výskyt • Helium Zemská atmosféra Produkt α-rozpadu těžších jader Příměs zemního plynu Produkt α-rozpadu těžších jader Druhý nejrozšířenější prvek ve vesmíru Produkt vodíkového hoření 4 Zjednodušené absorpční spektrum slunečního záření Výskyt • Rn je sledován pro svou radioaktivitu, např. 222Rn → 218Po + 4He (t½ = 3,8 dne) Nebezpečný při vdechování, může způsobit rakovinu plic Radonové podloží Tvárnice pro stavbu domů Rn v uzavřených objektech (domy, byty) Těžba uranových rud Jáchymovské lázně Rozpustnost Rn ve vodě až 230 cm3 kg−1 5 Hlubinný důl uranových rud v Příbrami Výskyt • Rn je sledován pro svou radioaktivitu, např. 222Rn → 218Po + 4He (t½ = 3,8 dne) Nebezpečný při vdechování, může způsobit rakovinu plic Radonové podloží Tvárnice pro stavbu domů Rn v uzavřených objektech (domy, byty) Těžba uranových rud Jáchymovské lázně Rozpustnost Rn ve vodě až 230 cm3 kg−1 • Rn (některý z izotopů) je členem uran-radiové, uran-aktiniové i thoriové rozpadové řady 6 Uran-radiová rozpadová řada Základní charakteristika 7 He Ne Ar Kr Xe Rn Og Elektronová konfigurace 1s2 [He] 2s22p6 [Ne] 3s23p6 [Ar] 3d104s24p6 [Kr] 4d105s25p6 [Xe] 4f145d106s26p6 ? Elektronegativita - - - - - - Poloměr vdW (pm) 99 160 191 197 214 ? ? Nejstálejší oxidační stupně - - - II, IV II, IV, VI, VIII II ? Teplota tání (°C) −248 −189 −157 −112 −71 ? Teplota varu (°C) −269 −246 −186 −153 −108 −62 ? • Ve všech případech úplně obsazené valenční orbitaly Inertní jednoatomové plyny Netvoří dvojatomové ani víceatomové molekuly (molekulové orbitaly) Existence He2 +, Ne2 +, Ar2 + a Xe2 + prokázána Řád vazby? Základní vlastnosti 8 Iontový poloměr 2Glrx/Commons Základní vlastnosti 9 Iontový poloměr 2Glrx/Commons Základní charakteristika 10 He Ne Ar Kr Xe Rn Elektronová konfigurace 1s2 [He] 2s22p6 [Ne] 3s23p6 [Ar] 3d104s24p6 [Kr] 4d105s25p6 [Xe] 4f145d106s26p6 Nejstálejší oxidační stupně - - - II, IV II, IV, VI II I. Ionizační energie (eV) 24,6 21,6 15,8 14,0 12,1 10,7 • Ionizační energie jsou velmi vysoké • Srovnej ionizační energii Kr, Xe a Rn s halogeny a kyslíkem Základní charakteristika 11 1. ionizační energie 2Glrx/Commons Základní vlastnosti 12 • Jednoatomové plyny • Bezbarvé, bez zápachu • Při ionizaci v elektrickém poli svítí specifickými barvami Výbojky Základní vlastnosti 13 • Atomy helia jsou velmi malé Helium difunduje sklem, pryží,… • Při teplotách 2,18 K a nižších supratekutá fáze He II Supratekutost helia Supratekuté helium vytváří filmy o tloušťce několika stovek atomů. Tyto filmy vzlínají po stěnách a přes hranu nádoby. Fázový diagram He Průmyslová výroba • Helium Frakční destilace zemního plynu Frakční destilace vzduchu • Neon, argon, krypton, xenon Frakční destilace vzduchu • Radon se může získat (“vyvařit”) z radonových vod (vývěrů) • Vzácné plyny se laboratorně nepřipravují Plynné helium je dodáváno v tlakových lahvích (plynová chromatografie) Kapalné helium je dodáváno v Dewarových nádobách (NMR spektroskopie) 14 Použití 15 Helium Použití • Neon – výbojky • Argon – výbojky Ochranná inertní atmosféra (svařování, laboratoř) • Krypton – výbojky • Xenon – výbojky • Radon – radonové koupele (lázně) 16 Vzácné plyny Reaktivita • Ionizační energie Kr, Xe a Rn jsou srovnatelné s Cl a O Kladné oxidační stavy s F a O jsou dostupné U Kr pouze KrF2 Rn je radioaktivní, nemá stabilní izotopy • Ionizační energie He, Ne a Ar jsou příliš vysoké pro tvorbu sloučenin Neznáme žádné sloučeniny těchto prvků • Tvorba klathrátů • Jinak nereaktivní, inertní plyny 17 Vazebné interakce Reaktivita • Ionizační energie He, Ne a Ar jsou příliš vysoké pro tvorbu sloučenin Neznáme žádné sloučeniny těchto prvků • Výjimky potvrzující pravidlo☺ He@C60 a He2@C60 Na2He HArF 18 Vazebné interakce Sloučeniny • Klathráty Klathráty Ar, Kr a Xe s vodou • Fluoridy xenonu • Oxid-fluoridy xenonu • Oxidy xenonu 19 Sloučeniny • Voda, H2O, je výjimečná sloučenina Životně důležité rozpouštědlo Krystalická struktura ledu je relativně “prázdná” Nižší hustota než kapalné vody Tvorba klathrátů (8CH4∙46H2O; 8Ar∙46H2O) 20 Klathráty Krystalická struktura běžného ledu (šesterečná soustava), čárkovaně vodíkové můstky Sloučeniny • Klathráty nejsou sloučeniny, mezi atomy vzácných plynů a molekulami vody nevzniká žádná vazba Klathráty Ar, Kr a Xe s vodou vznikají při tuhnutí vody nasycené vzácným plynem Nestechiometrické poměry Limitní složení X·6H2O 21 Klathráty Krystalická struktura běžného ledu (šesterečná soustava), čárkovaně vodíkové můstky Sloučeniny • Oxidační stav II: XeF2, fluorid xenonatý • Oxidační stav IV: XeF4, fluorid xenoničitý • Oxidační stav VI: XeF6, fluorid xenonový 22 Fluoridy xenonu Struktura XeF2 Struktura XeF4 Struktura XeF6 plynná fáze Pravidelný oktaedr Sloučeniny • Připravují se přímo z Xe a F2 v niklových autoklávech Stechiometrické poměry • XeF2 je komerčně dostupný 23 Fluoridy xenonu Struktura XeF2 Struktura XeF4 Struktura XeF6 Sloučeniny • Fluoridy xenonu Silná oxidační a fluorační činidla XeF6 > XeF4 > XeF2 3 XeF2 + S → SF6 + 3 Xe (bezvodý HF) 2 XeF6 + SiO2 → SiF4 + 2 XeOF4 • Fluoridy xenonu Všechny hydrolyzují 2 XeF2 + 2 H2O → 2 Xe + 4 HF + O2 XeF6 + 3 H2O → XeO3 + 6 HF 24 Fluoridy xenonu Struktura XeF2 Struktura XeF4 Struktura XeF6 Sloučeniny • Už jsme potkali XeOF4 2 XeF6 + SiO2 → SiF4 + 2 XeOF4 Lze připravit opatrnou hydrolýzou XeF6 XeF6 + H2O → XeOF4 + 2 HF • Obdobně další oxid-fluoridy XeOF2 opatrnou hydrolýzou XeF4 XeO2F2 a další… 25 Oxid-fluoridy xenonu Struktura XeOF4 Struktura XeOF2 Sloučeniny • Už jsme potkali XeO3 XeF6 + 3 H2O → XeO3 + 6 HF Explozivní sloučenina (∆fH0 = 402 kJ mol−1) Silné oxidační činidlo • XeO4 Explozivní sloučenina (∆fH0 = 642 kJ mol−1) Silné oxidační činidlo 26 Oxidy xenonu Struktura XeO3 Struktura XeO4 Sloučeniny • Už jsme potkali XeO3 Explozivní sloučenina (∆fH0 = 402 kJ mol−1) Silné oxidační činidlo V zásaditém prostředí dá vzniknout xenonanům (HXeO4 −) Xenonany disproporcionují za vzniku xenoničelanů (XeO6 4−) a elementárního xenonu • XeO4 Explozivní sloučenina (∆fH0 = 642 kJ mol−1) Silné oxidační činidlo Vzniká při působení kyseliny sírové na xenoničelany 27 Oxidy xenonu Struktura XeO3 Struktura XeO4