Благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон)
обладают полной внешней электронной оболочкой, что обеспечивает их
высокую химическую инертность. Традиционно считалось, что они
практически не образуют химических соединений. Однако развитие методов
синтеза и теория молекулярной химии показали возможность образования
соединений, особенно для тяжёлых благородных газов — ксенона, криптона и
радона. Химическая активность увеличивается с ростом атомного номера,
что связано с уменьшением энергии ионизации и увеличением поляризуемости
атомов.
Типы соединений
1. Фториды благородных газов
Наиболее изученными и стабильными являются фториды ксенона и
криптона. Их общие формулы:
- Ксенон: XeF₂, XeF₄, XeF₆
- Криптон: KrF₂
Свойства фторидов:
- Все соединения представляют собой сильные окислители.
- XeF₂ — бесцветные кристаллы, устойчивы при низких температурах,
разлагаются при нагревании или в присутствии воды.
- XeF₄ — тетраэдрическая структура с квадратной плоскостью F вокруг
атома Xe.
- XeF₆ — шестифторид, образует кристаллы с ионными ассоциациями в
твердом состоянии.
- KrF₂ — менее стабильный, разлагается при комнатной температуре.
Методы синтеза:
- Прямая фторизация: взаимодействие ксенона с фтором
при контролируемой температуре и в присутствии катализаторов (например,
Pt).
- Фотохимические реакции: использование
ультрафиолетового излучения для активации реакции.
2. Оксиды и оксофториды ксенона
Наиболее известны:
- XeO₃ — триоксид ксенона, сильнейший окислитель, взрывоопасен при
высыхании.
- XeO₄ — тетраоксид ксенона, с валентностью Xe +8, бесцветные
кристаллы, разлагаются при нагревании с выделением кислорода.
- XeOF₄ — оксофторид, промежуточный по стабильности, используется в
синтезе комплексных соединений.
Особенности химии:
- Оксиды ксенона проявляют выраженные окислительные свойства.
- Могут образовывать кислоты (например, HXeO₄), что приводит к соли
ксенонатов.
- Ионные формы (ксенонаты, ксеноны) демонстрируют уникальные структуры
с высокой координацией атома Xe.
3. Комплексные соединения
Ксенон способен образовывать комплексы с сильными лигандами:
- Примеры: [XeF⁺][BF₄⁻], [Xe₂F₁₁⁺][AsF₆⁻]
- Эти соединения характеризуются высокой стабильностью в
низкотемпературных условиях.
- Связи часто имеют частично ионный характер, с проявлением
поляризации облаков электронов ксенона.
4. Соединения радона
Радон является радиоактивным элементом, что сильно ограничивает
изучение его химии. Известны лишь фториды и оксофториды (RnF₂),
обладающие аналогичными свойствами с соединениями ксенона. Основной
интерес представляют их окислительные способности и потенциальная
химическая активность в экзотических условиях.
5. Ограниченные соединения криптона
- KrF₂ — единственный устойчивый фторид.
- Важны реакции с сильными окислителями и при низких
температурах.
- Образует комплексные катионы в твердом состоянии, демонстрируя
переходный характер к химически более активным ксеноновым
соединениям.
Структурные особенности
1. Геометрия молекул
- XeF₂ — линейная (VSEPR: AX₂E₃)
- XeF₄ — квадратная плоскость (AX₄E₂)
- XeF₆ — искажённая октаэдрическая (AX₆E₁)
- Структура определяется эффектом неспарных электронных пар и
максимальной минимизацией электронной репульсии.
2. Кристаллическая структура
- Фториды и оксиды образуют ионные и ковалентные сети.
- В твердом состоянии наблюдается проявление межмолекулярных
взаимодействий (F···Xe, O···Xe), которые влияют на термическую
стабильность и реакционную способность.
Реакционная способность
- Основная реакция — окисление с образованием сильных
окислителей.
- Могут участвовать в электрофильных замещениях,
формируя комплексные катионы.
- Фториды легко гидролизуются с образованием кислоты ксеноновой
(HXeO₄) и выделением HF.
- Возможны конденсационные реакции с другими оксидами, фторидами или
сильными основаниями.
Химические
тенденции среди благородных газов
- Рост химической активности: He < Ne < Ar <
Kr < Xe < Rn
- Обусловлен увеличением атомного радиуса и уменьшением энергии
ионизации.
- Лёгкие газы (He, Ne, Ar) практически не образуют соединений при
стандартных условиях.
- Тяжёлые газы (Xe, Rn) демонстрируют разнообразие фторидов, оксидов и
комплексных соединений.
Практическое значение
- Соединения ксенона используются в катализе окислительных
реакций, синтезе редких комплексных ионов.
- Фториды применяются в химической лаборатории как источники
сильных окислителей.
- Радоновые соединения интересны с точки зрения радиоактивной химии и
изучения окислительных процессов в экстремальных условиях.