13.1. Гелий. Неон. Аргон

Гелий – наиболее распространенный после водорода элемент космоса, присутствует в атмосфере солнца, звезд, в метеоритах. Состоит из двух стабильных изотопов – ⁴Не и ³Не. В земной коре гелий накапливается за счет -распада радиоактивных элементов, содержится в минералах, в самородных металлах в растворенном виде.

По физическим свойствам гелий наиболее близок к водороду. Вследствие ничтожной поляризуемости атомов у него самые низкие температуры кипения (-269 ºС). У гелия самая низкая из газов растворимость в воде, например, при 0 ºС в 1 л воды растворяется менее 10 мл гелия, что в два с лишним раза меньше, чем растворимость водорода.

По сравнению с другими инертными газами гелий обладает особо устойчивой электронной конфигурацией 1s², и как следствие наибольшей энергией ионизации атома – 24,59 эВ. В обычных условиях гелий химически инертен, но при сильном возбуждении он может образовывать молекулярные ионы Не₂⁺.

В промышленности гелий в основном выделяют из природных газов методом глубокого охлаждения. Газообразный гелий применяется для создания инертной атмосферы. Жидкий гелий применяется в лабораторных экспериментах в качестве хладагента для создания низких температур.

Неон в природе имеет три стабильных изотопа – ²⁰Ne, ²¹Ne, ²²Ne. Неон, как и гелий, обладает высокой энергией ионизации – 21,57эВ, поэтому химических соединений не образует. При сильном возбуждении неон образует молекулярные ионы типа Ne₂⁺. Основное отличие неона от гелия обусловлено большей поляризуемостью атома (большей склонностью к образованию межмолекулярных связей), отсюда у неона большая растворимость и способность адсорбироваться. Температура кипения неона составляет -245,9 ºС.

Неон получают совместно с гелием в процессе сжижения и разделения воздуха. Разделение гелия и неона осуществляется за счет адсорбции последнего активированным углем при охлаждении жидким азотом. Неон применяется в электровакуумной технике. Различные типы неоновых ламп с характерным красным свечением применяют в маяках, рекламах и т.п.

Аргон значительно более распространен на Земле, чем остальные инертные газы. Его объемная доля в атмосфере составляет 0,93 %. Он находится в виде трех изотопов ⁴⁰Ar (99,6 %), ³⁸Ar (0,063 %), ³⁶Ar (0,337 %).

Энергия ионизации атома аргона составляет 15,76 эВ, химические соединения для аргона не получены. Аргон имеет больший размер атома и более, чем гелий и неон, склонен к образованию межмолекулярных связей. Он характеризуется более высокой температурой кипения (-189,3 С), лучше адсорбируется.

Аргон образует молекулярные соединения включения – клатраты - с водой, фенолом, толуолом и др. Гидрат аргона примерного состава Ar·6H₂O представляет собой кристаллическое вещество, разлагающееся при атмосферном давлении и температуре –42,8 С. Аргон образует смешанные клатраты с H₂S, SO₂, CO₂, HCl.

Аргон получают при разделении жидкого воздуха. Он применяется в металлургических и химических процессах, требующих инертной атмосферы, в светотехнике (флуоресцентные лампы, лампы накаливания), в ядерной энергетике (ионизационные счетчики и камеры).