Ион гидрида гелия — Википедия

Ион гидрида гелия или ион гидридогелия (1+) представляет собой катион (положительно заряженный ион) с химической формулой HeH⁺. Его молекула состоит из атома гелия, связанного с атомом водорода, с одним удалённым электроном. Это самый лёгкий гетероядерный ион, сравнимый с молекулярным ионом водорода, H₂⁺.

Впервые ион был получен в лаборатории в 1925 году. Он стабилен в изоляции, но чрезвычайно реактивен и не может быть приготовлен в массе, потому что вступает в реакцию с любой другой молекулой, с которой контактирует. На самом деле это самая сильная из известных кислот. Его появление в межзвёздной среде было предположено с 1970-х годов^[1], и было окончательно подтверждено в 2019 году^[2].

Гидридогелий (1+) является изоэлектронным с молекулярным водородом^[3]. В отличие от H₂⁺, он имеет постоянный дипольный момент, что облегчает его спектроскопическую характеристику.

[4] Расчетный дипольный момент HeH⁺ составляет 2,26 или 2,84 D^[5] Тем не менее, одна из его наиболее заметных спектральных линий, в 149,14 мкм, совпадает с дублетом спектральных линий, принадлежащих радикалу метилидина ⫶CH.^[6]

Длина ковалентной связи в ионе составляет 0,772 Å.^[7]

Нейтральная молекула[править | править код]

В отличие от иона гидрида гелия, нейтральная молекула гидрида гелия не является стабильной в основном состоянии. Тем не менее, она существует в возбужденном состоянии, как эксимер (НеН*), и его спектр впервые был обнаружен в середине 1980-х годов.^[8][9][10]

Нейтральная молекула является первой записью в базе данных Gmelin.^[11]

Подготовка[править | править код]

Поскольку HeH⁺ не может храниться в какой-либо пригодной для использования форме, его химический состав должен быть изучен путём формирования его на месте.

Реакции с органическими веществами, например, могут быть изучены путем создания тритиевого производного желаемого органического соединения. Распад трития до

3Не⁺ с последующим его выделением атома водорода дает ³НеН⁺, который затем окружается органическим материалом и, в свою очередь, вступает в реакцию.^[12]

Кислотность[править | править код]

HeH⁺ не может быть получен в конденсированной фазе, так как он передаст протон любому аниону, молекуле или атому, с которым он вступит в контакт. Было показано, что он протонирует O₂, NH₃, SO₂, H₂O и CO₂, давая O₂H⁺, NH₄⁺, HSO₂⁺, H₃O⁺ и HCO₂^+[12]. Другие молекулы, такие как оксид азота, диоксид азота, закись азота, сероводород, метан, ацетилен, этилен, этан, метанол и ацетонитрил, реагируют, но распадаются из-за большого количества произведенной энергии.^[12]

На самом деле, HeH⁺ является самой сильной из известных кислот с сродством к протону 177,8 кДж / моль.^[13]Гипотетическая кислотность воды может быть оценена с использованием закона Гесса:

HeH+(g)	→	H+(g)	+ He(g)	+178 kJ/mol	[13]
HeH+(aq)	→	HeH+(g)		+973 kJ/mol
H+(g)	→	H+(aq)		−1530 kJ/mol
He(g)	→	He(aq)		+19 kJ/mol
HeH+(aq)	→	H+(aq)	+ He(aq)	−360 kJ/mol

Изменение свободной энергии диссоциации −360 кДж/моль эквивалентно a pK_a −63.

Другие ионы гелия-водорода[править | править код]

Дополнительные атомы гелия могут присоединяться к HeH ⁺ с образованием более крупных кластеров, таких как He₂H⁺, He₃H⁺, He₄H⁺, He₅H⁺ и He₆H⁺.^[12]

Катион гидрида дигелия, He₂H⁺, образуется в результате реакции катиона дигелия с молекулярным водородом:

He₂⁺ + H₂ → He₂H⁺ + H

Это линейный ион с водородом в центре.^[12]

Ион гексагелий гидрида, He₆H⁺, является особенно стабильным.^[12]

Другие ионы гидрида гелия известны или были изучены теоретически. Ион дигидрида гелия или дигидридогелий (1+) НеH₂

⁺, наблюдался с помощью микроволновой спектроскопии^[14]. Он имеет расчетную энергию связи 25,1 кДж / моль, в то время как тригидридогелий (1+), НеH₃⁺, имеет расчётную энергию связи 0,42 кДж/моль^[15].

Гидридогелий (1+) был впервые обнаружен косвенно в 1925 году Т. Р. Хогнессом и Э. Г. Ланном. Они впрыскивали протоны с известной энергией в разреженную смесь водорода и гелия, чтобы изучить образование ионов водорода, таких как H⁺, H₂⁺ и H₃⁺. Они заметили, что H₃⁺ появился при той же энергии пучка (16 эВ), что и H₂⁺, и его концентрация увеличивается с давлением гораздо больше, чем у двух других ионов. Из этих данных они пришли к выводу, что ионы H₂⁺ передавали протон молекулам, с которыми они сталкивались, включая гелий^[3].

Уже давно предполагается, что HeH⁺ существует в межзвездной среде.

[1] О его первом обнаружении в туманности NGC 7027 было сообщено в статье, опубликованной в журнале Nature в апреле 2019 года.^[2]

От распада трития[править | править код]

Ион гидрида гелия образуется при распаде трития в молекуле HT или в молекуле трития T₂. Хотя она возбуждается отдачей от бета-распада, молекула остается связанной вместе.^[16]

Межзвездная среда[править | править код]

Считается, что это первое соединение, которое сформировалось во вселенной,^[6] и имеет фундаментальное значение для понимания химии ранней вселенной.^[17] Это связано с тем, что водород и гелий были почти единственными типами атомов, образовавшихся в результате нуклеосинтеза Большого взрыва. Звёзды, образованные из первичного материала, должны содержать HeH⁺, что может повлиять на их формирование и последующую эволюцию. В частности, его сильный дипольный момент делает его важным для непрозрачности звезд с нулевой металличностью.^[6] Также считается, что HeH

+ является важной составляющей атмосферы богатых гелием белых карликов, где он увеличивает непрозрачность газа и заставляет звезду более медленно охлаждаться.^[18]

В качестве возможных мест, где может быть обнаружен HeH⁺, было предложено несколько мест. К ним относятся холодные гелиевые звёзды,^[6]H II,^[19] и плотные планетарные туманности^[19] такие как NGC 7027.^[17]

HeH⁺ может образовываться в охлаждающем газе за диссоциативными ударами в плотных межзвёздных облаках, такими как удары, вызванные звёздными ветрами, сверхновыми и истекающим материалом из молодых звёзд. Если скорость удара превышает 90 км/c, могут быть сформированы количества, достаточно большие для обнаружения. Если обнаружено, выбросы HeH⁺ будут полезными индикаторами шока.^[20]

1. ↑ ^{1 2} J.; Fernández. Photoionization of the HeH
   + molecular ion (англ.) // Journal of Physics B (англ.)русск. : journal. — 2007. — Vol. 40, no. 12. — P. 2471—2480. — DOI:10.1088/0953-4075/40/12/020. — Bibcode: 2007JPhB…40.2471F. Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «fern2007» определено несколько раз для различного содержимого Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «fern2007» определено несколько раз для различного содержимого
2. ↑ ^{1 2} Jürgen; Stutzki. Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH⁺ (англ.) // Nature : journal. — 2019. — April (vol. 568, no. 7752). — P. 357. — ISSN 1476-4687. — DOI:10.1038/s41586-019-1090-x.
3. ↑ ^{1 2} Hogness, T. R. The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis (англ.) // Physical Review : journal. — 1925. — Vol. 26, no. 1. — P. 44—55. — DOI:10.1103/PhysRev.26.44. — Bibcode: 1925PhRv…26…44H. Ошибка в сносках ^?: Неверный тег <ref>: название «hogn1925» определено несколько раз для различного содержимого Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «hogn1925» определено несколько раз для различного содержимого Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «hogn1925» определено несколько раз для различного содержимого
4. ↑ J.; Coxon. Experimental Born–Oppenheimer Potential for the X₁Σ⁺ Ground State of HeH⁺: Comparison with the Ab Initio Potential (англ.) // Journal of Molecular Spectroscopy (англ.)русск. : journal. — 1999. — Vol. 193, no. 2. — P. 306—318. — DOI:10.1006/jmsp.1998.7740. — Bibcode: 1999JMoSp.193..306C. — PMID 9920707. Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «coxo1999» определено несколько раз для различного содержимого Ошибка в сносках
   ?: Неверный тег <ref>: название «coxo1999» определено несколько раз для различного содержимого
5. ↑ Dipole Moment Calculation to Small Diatomic Molecules: Implementation on a Two-Electron Self-Consistent-Field ab initio Program (неопр.).
6. ↑ ^{1 2 3 4} Elodie A.; Engel. Calculated spectra for HeH⁺ and its effect on the opacity of cool metal-poor stars (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : journal. — Oxford University Press, 2005. — Vol. 357, no. 2. — P. 471—477. — DOI:10.1111/j.1365-2966.2005.08611.x. — Bibcode: 2005MNRAS.357..471E. — arXiv:astro-ph/0411267. Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «EngelEtAl» определено несколько раз для различного содержимого Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref> : название «EngelEtAl» определено несколько раз для различного содержимого
7. ↑ John P.; Coyne. Alpha particle chemistry. On the formation of stable complexes between He²⁺ and other simple species: implications for atmospheric and interstellar chemistry (англ.) // Journal of Molecular Modeling : journal. — 2009. — Vol. 15, no. 1. — P. 35—40. — DOI:10.1007/s00894-008-0371-3. — PMID 18936986.
8. ↑ Thomas; Möller. Observation of Fluorescence of the HeH Molecule (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1985. — Vol. 55, no. 20. — P. 2145—2148. — DOI:10.1103/PhysRevLett.55.2145. — Bibcode: 1985PhRvL..55.2145M. — PMID 10032060. Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «mull1985» определено несколько раз для различного содержимого Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «mull1985» определено несколько раз для различного содержимого
9. ↑ Wolfgang Ketterle: The Nobel Prize in Physics 2001 (неопр.).
10. ↑ W.; Ketterle. Emission spectra of bound helium hydride (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1985. — Vol. 55, no. 27. — P. 2941—2944. — DOI:10.1103/PhysRevLett.55.2941. — Bibcode: 1985PhRvL..55.2941K. — PMID 10032281. Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «kette1985» определено несколько раз для различного содержимого Ошибка в сносках^?: Неверный тег <ref>: название «kette1985» определено несколько раз для различного содержимого
11. ↑ Hydridohelium (CHEBI:33689) (неопр.). Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). European Bioinformatics Institute.
12. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Grandinetti, Felice. Helium chemistry: a survey of the role of the ionic species (англ.) // International Journal of Mass Spectrometry (англ.)русск. : journal. — 2004. — October (vol. 237, no. 2—3). — P. 243—267. — DOI:10.1016/j.ijms.2004.07.012. — Bibcode: 2004IJMSp.237..243G.
13. ↑ ^{1 2} Lias, S. G. Evaluated Gas Phase Basicities and Proton Affinities of Molecules; Heats of Formation of Protonated Molecules (англ.) // Journal of Physical and Chemical Reference Data (англ.)русск. : journal. — 1984. — Vol. 13, no. 3. — P. 695. — DOI:10.1063/1.555719. — Bibcode: 1984JPCRD..13..695L.
14. ↑ Alan; Carrington. Observation of a microwave spectrum of the long-range He⋯ complex (англ.) // Chemical Physics Letters (англ.)русск. : journal. — 1996. — Vol. 260, no. 3—4. — P. 395—405. — DOI:10.1016/0009-2614(96)00860-3. — Bibcode: 1996CPL…260..395C.
15. ↑ Astrochemistry: Recent Successes and Current Challenges (англ.).
16. ↑ Safety in Tritium Handling Technology (неопр.). — DOI:10.1007/978-94-011-1910-8_4.
17. ↑ ^{1 2} Liu, X.-W. An ISO Long Wavelength Spectrometer detection of CH in NGC 7027 and an HeH⁺ upper limit (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : journal. — Oxford University Press, 1997. — Vol. 290, no. 4. — P. L71—L75. — DOI:10.1093/mnras/290.4.l71. — Bibcode: 1997MNRAS.290L..71L.
18. ↑ Harris, G. J. The Role of HeH⁺ in Cool Helium-rich White Dwarfs (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 2004. — Vol. 617, no. 2. — P. L143—L146. — DOI:10.1086/427391. — Bibcode: 2004ApJ…617L.143H. — arXiv:astro-ph/0411331.
19. ↑ ^{1 2} W.; Roberge. The formation and destruction of HeH⁺ in astrophysical plasmas (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1982. — Vol. 255. — P. 489—496. — DOI:10.1086/159849. — Bibcode: 1982ApJ…255..489R.
20. ↑ David A.; Neufeld. Fast molecular shocks. I – Reformation of molecules behind a dissociative shock (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1989. — Vol. 340. — P. 869—893. — DOI:10.1086/167441. — Bibcode: 1989ApJ…340..869N.

Благородные газы — Википедия

Группа →	18
↓ Период
1
2
3
4	36 Криптон 3d104s24p6
5	54 Ксенон 4d105s25p6
6	86 Радон 4f145d106s26p6
7	118 Оганесон 5f146d107s27p6

Благоро́дные га́зы (также ине́ртные^[2] или ре́дкие га́зы^[3]) — группа химических элементов со схожими свойствами: при нормальных условиях они представляют собой одноатомные газы без цвета, запаха и вкуса с очень низкой химической реактивностью^[en]. К благородным газам относятся гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn). Формально к этой группе также причисляют недавно открытый оганесон (Og), однако его химические свойства почти не исследованы.

В первых 6 периодах периодической таблицы химических элементов инертные газы относятся к последней, 18-й группе. Согласно старой европейской системе нумерации групп периодической таблицы, группа инертных газов обозначается VIIIA (главная подгруппа 8-й группы, или подгруппа гелия), согласно старой американской системе — VIIIB; кроме того, в некоторых источниках, особенно в старых, группа инертных газов обозначается цифрой 0, ввиду характерной для них нулевой валентности. Возможно, что из-за релятивистских эффектов элемент 7-го периода 14-й группы флеровий обладает некоторыми свойствами благородных газов^[4]. Он может заменить в периодической таблице оганесон^[5]. Благородные газы химически неактивны и способны участвовать в химических реакциях лишь при экстремальных условиях.

Характеристики благородных газов объяснены современными теориями структуры атома: их электронные оболочки из валентных электронов являются заполненными, тем самым позволяя участвовать лишь в очень малом количестве химических реакций: известны всего несколько сотен химических соединений этих элементов.

Неон, аргон, криптон и ксенон выделяют из воздуха специальными установками, используя при этом методы сжижения газов и фракционированной конденсации. Источником гелия являются месторождения природного газа с высокой концентрацией гелия, который отделяется с помощью методов криогенного разделения газов. Радон обычно получают как продукт радиоактивного распада радия из растворов соединений этого элемента.

Неон, как и все благородные газы, имеет заполненную электронную оболочку. Все атомы благородных газов имеют на внешней орбите 8 электронов. Исключением является гелий (только 2 электрона)

Благородные газы не поддерживают горения и не возгораются при нормальных условиях.

№	Элемент	№ электронов/электронной оболочки
2	гелий	2
10	неон	2, 8
18	аргон	2, 8, 8
36	криптон	2, 8, 18, 8
54	ксенон	2, 8, 18, 18, 8
86	радон	2, 8, 18, 32, 18, 8

Соединения[править | править код]

Структура тетрафторида ксенона XeF₄, одного из первых когда-либо обнаруженных соединений благородных газов

Инертные газы отличаются химической неактивностью (отсюда и название). Тем не менее, в 1962 году Нил Барлетт показал, что все они при определённых условиях могут образовывать соединения (особенно охотно со фтором). Наиболее «инертны» неон и гелий: чтобы заставить их вступить в реакцию, нужно применить много усилий, искусственно ионизируя каждый атом. Ксенон же, наоборот, слишком активен (для инертных газов) и реагирует даже при нормальных условиях, демонстрируя чуть ли не все возможные степени окисления (+1, +2, +4, +6, +8). Радон тоже имеет высокую химическую активность (по сравнению с лёгкими инертными газами), но он радиоактивен и быстро распадается, поэтому подробное изучение его химических свойств осложнено, в отличие от ксенона.

Оганесон, несмотря на его принадлежность к 18-й группе периодической таблицы, может не являться инертным газом, так как предполагается, что при нормальных условиях в силу релятивистских эффектов, влияющих на движение электронов вблизи его ядра с высоким зарядом, он будет находиться в твёрдом состоянии^[6].

Инертные газы бесцветны, прозрачны и не имеют запаха и вкуса. В небольшом количестве они присутствуют в воздухе и некоторых горных породах, а также в атмосферах некоторых планет-гигантов и планет земной группы. Гелий является вторым (после водорода) по распространённости элементом во Вселенной, однако для Земли он является редким газом, который улетучился в космос во время образования планеты. Почти весь добываемый гелий является радиогенным продуктом происходящего в течение миллиардов лет в недрах Земли альфа-распада урана, тория и их дочерних элементов; лишь малая часть земного гелия сохранилась от эпохи образования Солнечной системы. Аналогично, по большей части радиогенным является и аргон, возникший в результате постепенного радиоактивного распада калия-40.

При нормальных условиях все элементы 18-й группы (кроме, возможно, оганесона) являются одноатомными газами. Их плотность растёт с увеличением номера периода. Плотность гелия при нормальных условиях примерно в 7 раз меньше плотности воздуха, тогда как радон почти в восемь раз тяжелее воздуха.

При нормальном давлении температуры плавления и кипения у любого благородного газа отличаются менее чем на 10 °C; таким образом, они остаются жидкими лишь в малом температурном интервале. Температуры сжижения и кристаллизации растут с ростом номера периода. Гелий под атмосферным давлением вообще не становится твёрдым даже при абсолютном нуле — единственный из всех веществ.

Инертные газы не обладают химической токсичностью. Однако атмосфера с увеличенной концентрацией инертных газов и соответствующим снижением концентрации кислорода может оказывать удушающее действие на человека, вплоть до потери сознания и смерти^[7][8]. Известны случаи гибели людей при утечках инертных газов.

Ввиду высокой радиоактивности всех изотопов радона он является радиотоксичным. Наличие радона и радиоактивных продуктов его распада во вдыхаемом воздухе вызывает стохастические эффекты хронического облучения, в частности рак.

Инертные газы обладают биологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм и по силе этого воздействия располагаются по убыванию в следующем порядке (в сравнении приведены также азот и водород): Xe — Kr — Ar — N₂ — H₂ — Ne — He. При этом ксенон и криптон проявляют наркотический эффект при нормальном барометрическом давлении, аргон — при давлении свыше 0,2 МПа (2 атм), азот — свыше 0,6 МПа (6 атм), водород — свыше 2,0 МПа (20 атм). Наркотическое действие неона и гелия в опытах не регистрируются, так как под давлением раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД)^[9].

Благородные газы в вакуумных стеклянных колбах, через которые пропущен ток

Лёгкие инертные газы имеют очень низкие точки кипения и плавления, что позволяет их использовать в качестве холодильного агента в криогенной технике. Жидкий гелий, который кипит при 4,2 К (−268,95 °C), используется для получения сверхпроводимости — в частности, для охлаждения сверхпроводящих обмоток электромагнитов, применяемых, например, для магнитно-резонансной томографии и других приложений ядерного магнитного резонанса. Жидкий неон, хотя его температура кипения (–246,03 °C) и не достигает таких низких значений как у жидкого гелия, также находит применение в криогенике, потому что его охлаждающие свойства (удельная теплота испарения) более чем в 40 раз лучше, чем у жидкого гелия, и более чем в три раза лучше, чем у жидкого водорода.

Гелий, благодаря его пониженной растворимости в жидкостях, особенно в липидах, используется вместо азота как компонент дыхательных смесей для дыхания под давлением (например, при подводном плавании). Растворимость газов в крови и биологических тканях растёт под давлением. В случае использования для дыхания обычного воздуха или других азотсодержащих дыхательных смесей это может стать причиной эффекта, известного как азотное отравление.

Благодаря меньшей растворимости в липидах, атомы гелия задерживаются клеточной мембраной, и поэтому гелий используется в дыхательных смесях, таких как тримикс и гелиокс, уменьшая наркотический эффект газов, возникающий на глубине. Кроме того, пониженная растворимость гелия в жидкостях тела позволяет избежать кессонной болезни при быстром всплытии с глубины. Уменьшение остатка растворённого газа в теле означает, что во время всплытия образуется меньшее количество газовых пузырьков; это уменьшает риск газовой эмболии. Другой инертный газ, аргон, рассматривается как лучший выбор для использования в качестве прослойки к сухому костюму^{[10][неавторитетный источник?]} для подводного плавания.

Аргон, наиболее дешёвый среди инертных газов (его содержание в атмосфере составляет около 1 %), широко используется при сварке в защитных газах, резке и других приложениях для изоляции от воздуха металлов, реагирующих при нагреве с кислородом (и азотом), а также для обработки жидкой стали. Аргон также применяется в люминесцентных лампах для предотвращения окисления разогретого вольфрамового электрода. Также, ввиду низкой теплопроводности, аргон (а также криптон) используют для заполнения стеклопакетов.

После крушения дирижабля «Гинденбург» в 1937 году огнеопасный водород был заменен негорючим гелием в качестве заполняющего газа в дирижаблях и воздушных шарах, несмотря на снижение плавучести на 8,6 % по сравнению с водородом. Несмотря на замену, катастрофа оказала непропорционально большое влияние на всю область герметичных летательных аппаратов легче воздуха и подорвала планы по расширению этой области авиации более чем на полвека. Они стали популярнее только в последнее время, с развитием нановолоконных тканей и альтернативной энергетики.

• Беннетт, Питер; Эллиотт, Дэвид. The Physiology and Medicine of Diving (неопр.). — SPCK Publishing, 1998. — ISBN 0-7020-2410-4.
• Bobrow Test Preparation Services. CliffsAP Chemistry (неопр.). — CliffsNotes (англ.)русск., 2007. — ISBN 0-470-13500-X.
• Гринвуд, Н.Н.; Ёрншо, A. Chemistry of the Elements (неопр.). — 2nd. — Oxford:Butterworth-Heinemann, 1997. — ISBN 0-7506-3365-4.
• Хардинг, Чарли Дж.; Джейнс, Роб. Elements of the P Block (неопр.). — Royal Society of Chemistry, 2002. — ISBN 0-85404-690-9.
• Холловэй, Джон. Noble-Gas Chemistry (неопр.). — Лондон: Methuen Publishing (англ.)русск., 1968. — ISBN 0-412-21100-9.
• Менделеев, Дмитрий (англ.)русск.. Основы Химии (неопр.). — 7-е.
• Оджима, Минору; Подосек, Франк. Noble Gas Geochemistry (неопр.). — Cambridge University Press, 2002. — ISBN 0-521-80366-7.
• Вайнхольд, Ф.; Лэндис, C. Valency and bonding (неопр.). — Cambridge University Press, 2005. — ISBN 0-521-83128-8.
• Скерри, Эрик. The Periodic Table, Its Story and Its Significance (англ.). — Oxford University Press, 2007. — ISBN 0-19-530573-6.

Гелий Гелий Атомный номер: 2 Атомная масса: 4.002602 Температура плавления: 0.95 K Температура кипения: 4.22 K Плотность: 0.0001785 Электроотрицательность: ? Неон Неон Атомный номер: 10 Атомная масса: 20.1797 Температура плавления: 24.703 K Температура кипения: 27.07 K Плотность: 0.0008999 Электроотрицательность: ? Аргон Аргон Атомный номер: 18 Атомная масса: 39.948 Температура плавления: 83.96 K Температура кипения: 87.30 K Плотность: 0.0017837 Электроотрицательность: ? Криптон Криптон Атомный номер: 36 Атомная масса: 83.798 Температура плавления: 115.93 K Температура кипения: 119.93 K Плотность: 0.003733 Электроотрицательность: 3 Ксенон Ксенон Атомный номер: 54 Атомная масса: 131.293 Температура плавления: 161.45 K Температура кипения: 165.03 K Плотность: 0.005887

Список степеней окисления элементов — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 ноября 2016; проверки требуют 11 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 ноября 2016; проверки требуют 11 правок.

Этот список показывает все известные степени окисления химических элементов. Исключениями являются дробные значения. Наиболее часто встречающиеся степени окисления выделены жирным шрифтом. Этот список основан на таблице Гринвуда^[1] со всеми дополнениями. В колонку, в которой степень окисления равна нулю, вписаны инертные газы. Данная таблица базируется на данных Д. И. Менделеева.

−1

H

+1

He

Li

+1

Be

+1

+2

-3

−1

B

+1

+2

+3

[2]

−4

−3

−2

−1

C

+1

+2

+3

+4

−3

−2

−1

N

+1

+2

+3

+4

+5

−2

−1

O

+1

+2

−1

F

Ne

Na

+1

Mg

+1

+2

[3]

Al

+3

−4

−3

−2

−1

Si

+1

+2

+3

+4

−3

−2

−1

P

+1

+2

+3

+4

+5

−2

−1

S

+1

+2

+3

+4

+5

+6

−1

Cl

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

Ar

K

+1

Ca

+2

Sc

+1

+2

+3

Ti

+2

+3

+4

V

+1

+2

+3

+4

+5

Cr

+1

+2

+3

+4

+5

+6

Mn

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

Fe

+1

+2

+3

+4

+5

+6

Co

+1

+2

+3

+4

+5

Ni

+1

+2

+3

+4

Cu

+1

+2

Zn

+2

Ga

+1

+2

+3

−4

Ge

+1

+2

+3

+4

−3

As

+2

+3

+5

−2

Se

+2

+4

+6

−1

Br

+1

+3

+4

+5

+7

Kr

+2

Rb

+1

Sr

+2

Y

+1

+2

+3

[4][5]

Zr

+1

+2

+3

+4

−1

Nb

+2

+3

+4

+5

−2

−1

Mo

+1

+2

+3

+4

+5

+6

−3

−1

Tc

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

−2

Ru

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

+8

−1

Rh

+1

+2

+3

+4

+5

+6

Pd

+2

+4

Ag

+1

+2

+3

Cd

+2

In

+1

+2

+3

−4

Sn

+2

+4

−3

Sb

+3

+5

−2

Te

+2

+4

+5

+6

−1

I

+1

+3

+5

+7

Xe

+2

+4

+6

+8

Cs

+1

Ba

+2

La

+2

+3

Ce

+2

+3

+4

Pr

+2

+3

+4

Nd

+2

+3

Pm

+3

Sm

+2

+3

Eu

+2

+3

Gd

+1

+2

+3

Tb

+1

+3

+4

Dy

+2

+3

Ho

+3

Er

+3

Tm

+2

+3

Yb

+2

+3

Lu

+3

Hf

+2

+3

+4

−1

Ta

+2

+3

+4

+5

−2

−1

W

+1

+2

+3

+4

+5

+6

−3

−1

Re

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

−2

−1

Os

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

+8

−3

−1

Ir

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

+8

+9

[6][7]

Pt

+2

+4

+5

+6

−1

Au

+1

+2

+3

+5

Hg

+1

+2

+4

[8]

Tl

+1

+3

−4

Pb

+2

+4

−3

Bi

+3

+5

−2

Po

+2

+4

+6

−1

At

+1

+3

+5

Rn

+2

+4

+6

[9]

Fr

+1

Ra

+2

Ac

+3

Th

+2

+3

+4

Pa

+3

+4

+5

U

+3

+4

+5

+6

Np

+3

+4

+5

+6

+7

Pu

+3

+4

+5

+6

+7

Am

+2

+3

+4

+5

+6

Cm

+3

+4

Bk

+3

+4

Cf

+2

+3

+4

Es

+2

+3

Fm

+2

+3

Md

+2

+3

No

+2

+3

Lr

+3

Rf

+4

Аналогичный график был использован Ирвингом Ленгмюром в 1919 году в своих самых ранних стадиях изучения правила октета^[10].

1. ↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. Chemistry of the. — 2-е изд. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997. — С. 28. — ISBN 0080379419.
2. ↑ В дибориде магния, известном в качестве сверхпроводника, бор находится в степени окисления −1.
3. ↑ S. P., Green. Stable Magnesium(I) Compounds with Mg-Mg Bonds / Jones C.; Stasch A.. — Журнал Science, 2007. — Декабрь (вып. 318 (№ 5857). — С. 1754—1757. — DOI:10.1126/science.1150856. — PMID 17991827.
4. ↑ Yttrium: yttrium(II) hydride compound data (неопр.). WebElements.com. Дата обращения 11 сентября 2010.
5. ↑ Yttrium: yttrium(I) bromide compound data (неопр.) (недоступная ссылка). OpenMOPAC.net. Дата обращения 11 сентября 2010. Архивировано 23 июля 2011 года.
6. ↑ Иридий в степени окисления −3 был изучен в Ir(CO)₃³⁻; см. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements. — 2-е изд. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997. — С. 1117. — ISBN 0080379419.
7. ↑ Pyykkö Pekka, Xu Wen-Hua. The Formal Oxidation States of Iridium Now Run from −III to +IX // Angewandte Chemie International Edition. — 2014. — 16 декабря (т. 54, № 4). — С. 1080—1081. — ISSN 1433-7851. — DOI:10.1002/anie.201410615.
8. ↑ Hg⁴⁺ была получена в тетрафториде ртути; см. Xuefang Wang. Mercury Is a Transition Metal: The First Experimental Evidence for HgF₄ / Lester Andrews; Sebastian Riedel; Martin Kaupp. — Журнал Angew. Chem. Int. Ed., 2007. — Вып. 44. — № 46. — С. 8371—8375. — DOI:10.1002/anie.200703710. — PMID 17899620..
9. ↑ Rn²⁺ был найден в дифториде радона; см Ionic Radon Solution. — Журнал Science, 1970. — Вып. 3929. — № 168. — С. 362. — DOI:10.1126/science.168.3929.362. — PMID 17809133. и Fluorides of radon and element 118. — Журнал J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1975. — С. 760b—761. — DOI:10.1039/C3975000760b.
10. ↑ Irving Langmuir. The arrangement of electrons in atoms and molecules. — Журнал J. Am. Chem. Soc., 1919. — Вып. 41. — С. 868—934. — DOI:10.1021/ja02227a002.

Электроотрицательность, степень окисления и валентность химических элементов.

Задание №1

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Na
• 2. K
• 3. Si
• 4. Mg
• 5. C

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые проявляют низшую степень окисления, равную –4.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 35

Пояснение:

Согласно правилу октета, атомы химических элементов стремятся иметь на своем внешнем электронном уровне 8 электронов, как у благородных газов. Этого можно достичь либо отдачей электронов последнего уровня, тогда внешним становится предыдущий, содержащий 8 электронов, либо, наоборот, присоединением дополнительных электронов до восьми. Натрий и калий относятся к щелочным металлам и находятся в главной подгруппе первой группы (IA). Это значит, что на внешнем электронном слое их атомов находится по одному электрону. В связи с этим энергетически более выгодной является потеря единственного электрона, чем присоединение еще семи.

С магнием ситуация аналогичная, только он находится в главной подгруппе второй группы, то есть на внешнем электронном уровне у него два электрона. Следует отметить, что натрий, калий и магний относятся к металлам, а для металлов в принципе невозможна отрицательная степень окисления. Минимальная степень окисления любого металла равна нулю и наблюдается в простых веществах.

Химические элементы углерод C и кремний Si являются неметаллами и находятся в главной подгруппе четвертой группы (IVA). Это означает, что на их внешнем электронном слое находятся 4 электрона. По этой причине для данных элементов возможна как отдача этих электронов, так и присоединение еще четырех до общего количества, равного 8ми. Больше 4х электронов атомы кремния и углерода присоединить не могут, поэтому минимальная степень окисления для них равна -4.

Задание №2

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Ba
• 2. Al
• 3. N
• 4. Cl
• 5. Ca

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента с наибольшей электроотрицательностью.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 34

Пояснение:

Понятие электроотрицательности связано со способностью атома оттягивать к себе электроны других атомов, обладающих меньшей электроотрицательностью. Наибольшей электроотрицательностью среди всех элементов, представленных в Периодической системе химических элементов, обладает фтор. Для завершения внешнего электронного уровня фтор, имеющий на нем 7 электронов, стремится присоединить единственный электрон, после чего его электронная оболочка становится идентичной оболочке неона. В сложных соединениях фтор всегда имеет степень окисления -1.

Среди элементов, представленных в задании, металлами являются барий, кальций и алюминий. Для завершения внешнего электронного уровня металлы, обладающие на нем небольшим количеством электронов, отдают их, после чего приобретают завершенную электронную оболочку благородных газов. Таким образом, металлы обладают минимальной электроотрицательностью, поскольку не способны оттягивать электроны других атомов, а, наоборот, отдают их.

Неметаллами, представленными в задании, являются азот и хлор. У азота для завершения внешнего электронного уровня не хватает 3 электронов, и, приняв их, электронная оболочка азота становится идентичной оболочке неона. Для завершения внешнего электронного уровня хлора не хватает 1 электрона, и, приняв их, электронная оболочка хлора становится идентичной оболочке аргона. Таким образом, азот и хлор обладают значительной электроотрицательностью, то есть способны оттягивать электроны других менее электроотрицательных атомов.

Задание №3

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Cl
• 2. K
• 3. Br
• 4. F
• 5. Ca

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, проявляющие в сложных соединениях как положительные, так и отрицательные степени окисления.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 13

Пояснение:

Фтор, обладающий наибольшей электроотрицательностью среди всех элементов, представленных в Периодической системе химических элементов и имеющий очень жесткую оболочку, представленную двумя электронными слоями, для завершения своего внешнего уровня стремится присоединить единственный электрон, после чего его электронная оболочка становится идентичной оболочке неона. Таким образом, в сложных соединениях фтор всегда имеет отрицательную степень окисления -1.

Среди элементов, представленных в задании, металлами являются калий и кальций. Для завершения внешнего электронного уровня эти металлы, имеющие на нем небольшое количество электронов (1 и 2 соответственно), отдают их, после чего приобретают завершенную электронную оболочку благородных газов. Таким образом, калий и кальций, отдав 1 и 2 электрона с внешних энергетических уровней, имеют в сложных соединениях степени окисления +1 и +2 соответственно. Металлы в сложных соединениях всегда имеют положительные степени окисления.

Неметаллами, представленными в задании, помимо фтора также являются хлор и бром. Однако, являясь галогенами подобно фтору, хлор и бром в отличие от него имеют более рыхлые электронные оболочки (3 и 4 энергетических уровня соответственно). Поэтому наряду со способностью оттягивать на себя электроны других атомов (принимая степень окисления -1), хлор, бром и йод способны также отдавать свои электроны, принимая положительные степени окисления в сложных соединениях (+1, +3, +5, +7).

Задание №4

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Cl
• 2. N
• 3. C
• 4. Be
• 5. P

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые образуют водородные соединения состава ЭН₃.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 25

Пояснение:

Среди элементов, представленных в задании, металлом является только бериллий. Поскольку металлы обладают восстановительными свойствами, атом бериллия отдает с внешней электронной оболочки два электрона двум атомам водорода, при этом образуется соединение гидрид бериллия BeH₂. В данном соединении валентность бериллия равна 2.

Остальные элементы — Cl, N, C, P — являются неметаллами, обладающие большей электроотрицательностью по сравнению с атомом водородом.

Для завершения внешнего электронного уровня атома хлора не хватает одного электрона. Образуя с водородом соединение HCl, хлор, являясь более электроотрицательным элементом, оттягивает на себя общую электронную пару, и имеет валентность, равную 1.

С водородом углерод образует соединение метан (CH₄), в котором валентность углерода равна 4. Способность атома углерода проявлять такую валентность связана с переходом его в возбужденное состояние, в котором 1 электрон с 2s-орбитали мигрирует на 2p-орбиталь, в результате чего происходит их гибридизация (выравнивание орбиталей по форме и энергии).

Для завершения внешних электронных уровней атомов азота и фосфора необходимо по три электрона, которые эти элементы «забирают» у атомов водорода, образуя соединения NH₃ (аммиак) и PH₃ (фосфин) соответственно.

Задание №5

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Cl
• 2. F
• 3. Br
• 4. Cu
• 5. Fe

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, проявляющих в сложных соединениях только положительные степени окисления.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 45

Пояснение:

Фтор обладает максимальной электроотрицательностью среди всех элементов, представленных в Периодической системе химических элементов, и имеет очень жесткую оболочку, представленную двумя электронными слоями, поэтому для завершения своего внешнего уровня стремится присоединить единственный электрон или оттянуть на себя электрон менее электроотрицательного атома. Таким образом, в сложных соединениях фтор всегда имеет постоянную отрицательную степень окисления -1 и не способен отдавать электроны.

Неметаллами, представленными в задании, кроме фтора, являются хлор и бром. Однако, в отличие от фтора, хлор и бром имеют более рыхлые электронные оболочки (3 и 4 энергетических уровня соответственно), поэтому наряду со способностью оттягивать на себя электроны других атомов (принимая степень окисления -1), хлор, бром и йод способны отдавать свои электроны, принимая положительные степени окисления в сложных соединениях. Спектр степеней окисления галогенов, кроме фтора, в сложных соединениях — -1, +1, +3, +5, +7.

Среди элементов, представленных в задании, металлами являются медь и железо. С сложных соединениях металлы проявляют только положительные степени окисления, обладая восстановительными свойствами. Для меди в сложных соединениях характерны степени окисления +1 и +2, для железа — +2, +3, +6.

Задание №6

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. He
• 2. P
• 3. Al
• 4. Cl
• 5. Li

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, проявляющих в сложных соединениях как положительные, так и отрицательные степени окисления.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 24

Пояснение:

Гелий, являющийся благородным газом, имеет завершенную электронную оболочку 1s², поэтому не стремится образовывать сложные соединения. Гелий является инертным одноатомным газом со степенью окисления 0.

Среди элементов, представленных в задании, металлами являются литий и алюминий. Для образования завершенного 8ми электронного слоя, подобно инертным газам, и литий, и алюминий, обладая восстановительными свойствами, отдают 1 и 3 электрона, проявляя в сложных соединениях только положительные степени окисления +1 и +3 соответственно.

Неметаллами, представленными в задании, являются хлор и фосфор. Для завершения внешнего электронного уровня хлору и фосфору не хватает 1 и 3 электронов соответственно. Однако, обладая относительно рыхлыми электронными оболочками и хлор, и фосфор способны не только притягивать электроны других атомов, но и отдавать их, приобретая положительные степени окисления. В сложных соединениях хлор проявляет степени окисления — -1, +1, +3, +5 и +7, фосфор — -3, +3, +5. Таким образом, ввиду наличия мягких электронных оболочек и хлор, и фосфор в сложных соединениях способны проявляет как положительные, так и отрицательные степени окисления.

Задание №7

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. B
• 2. Al
• 3. F
• 4. Fe
• 5. N

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, проявляющих в оксидах степени окисления как +2, так и +3.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 45

Пояснение:

Согласно правилу октета, атомы химических элементов стремятся иметь на своем внешнем электронном уровне 8 электронов, как у благородных газов. Этого можно достичь либо отдачей электронов последнего уровня, тогда внешним становится предыдущий, содержащий 8 электронов, либо, наоборот, присоединением дополнительных электронов до восьми.

Бор (неметалл) и алюминий (амфотерный металл) являются элементами главной подгруппы 3й группы Периодической системы химических элементов (IIIA). Это значит, что на внешнем электронном слое их атомов находится по три электрона. В связи с этим энергетически более выгодной является потеря этих трех электронов, чем присоединение еще пяти. Таким образом, и бор, и алюминий в сложных соединениях проявляют постоянную положительную степень окисления +3. В частности, оксидами бора и алюминия являются соединения B₂O₃ и Al₂O₃.

Фтор обладает максимальной электроотрицательностью среди всех элементов, представленных в Периодической системе химических элементов, и имеет очень жесткую оболочку, представленную двумя электронными слоями, поэтому для завершения своего внешнего уровня стремится присоединить единственный электрон или оттянуть на себя электрон менее электроотрицательного атома. Таким образом, в сложных соединениях фтор всегда имеет постоянную отрицательную степень окисления -1, т.е. не способен отдавать электроны и не образует оксидов.

Азот, как и фтор, является неметаллом, следовательно, способен оттягивать на себя электроны других атомов. На внешнем электронном уровне атома азота находится 5 электронов, с этим связана способность атома азота проявлять в сложных соединениях степень окисления -3. Кроме того, азот способен и отдавать электроны более электроотрицательным элементам, проявляя положительные степени окисления в сложных соединения. Спектр степеней окисления азота в сложных соединениях — -3, +1, +2, +3, +4, +5.

Среди элементов, представленных в задании, переходным металлом является железо. С сложных соединениях железо проявляет положительные степени окисления — +2, +3, +6. Таким образом, железо наряду с оксидом FeO, обладающим основными свойствами, образуется и оксид Fe₂O₃, обладающий амфотерными свойствами.

Задание №8

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Cs
• 2. C
• 3. Al
• 4. Rb
• 5. Ca

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, проявляющих в сложных соединениях постоянную валентность, равную 1.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 14

Пояснение:

Согласно правилу октета, атомы химических элементов стремятся иметь на своем внешнем электронном уровне 8 электронов, как у благородных газов. Этого можно достичь либо отдачей электронов последнего уровня, тогда внешним становится предыдущий, содержащий 8 электронов, либо, наоборот, присоединением дополнительных электронов до восьми.

Рубидий и цезий являются щелочными металлами (расположены в главной подгруппе первой группы Периодической системы химических элементов), имеющими на внешнем энергетическом уровне по одному электрону. Для того чтобы внешний слой атомов рубидия и цезия был полностью заполнен, щелочные металлы отдают по электрону, в результате чего их электронная оболочка становится идентичной электронной оболочке благородных газов. Таким образом, отдав электрон, щелочные металлы образуют одну связь, т.е. в сложных соединениях проявляют валентность 1.

Кальций является щелочно-земельным металлом (расположен в главной подгруппе второй группы Периодической системы химических элементов), имеющим на внешнем энергетическом уровне два электрона. Для того чтобы внешний слой атома кальция был полностью заполнен, он отдает два электрона, в результате чего приобретает электронную оболочку благородного газа аргона. Отдав два электрона, щелочно-земельные металлы образуют две связи, т.е. в сложных соединениях проявляют валентность 2.

Алюминий является амфотерным металлом (расположен в главной подгруппе третьей группы Периодической системы). Электронная конфигурация внешнего слоя атома алюминия — 3s²3p¹. Как правило, в сложных соединениях алюминий проявляет валентность, равную 3, поскольку находится в возбужденном состоянии, которое достигается переходом электрона с 3s- на 3p-орбиталь (в результате этого его электронная конфигурация становится 3s¹3p²).

Углерод является неметаллом (расположен в главной подгруппе четвертой группы Периодической системы). Электронная конфигурация внешнего слоя атома углерода — 2s²2p². В основном состоянии у атома углерода 2 неспаренных электрона, следовательно, валентность равна 2. Однако на внешнем энергетическом уровне, помимо двух неспаренных электронов, у атома углерода есть незанятая (вакантная) орбиталь, поэтому он может образовывать по донорно-акцепторному механизму еще одну связь, проявляя валентность 3. В органических соединениях при перескоке электрона с 2s- на 2p-орбиталь углерод переходит в возбужденное состояние и проявляет валентность, равную 4 (в результате этого электронная конфигурация атома углерода становится 2s¹2p³).

Задание №9

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Cu
• 2. N
• 3. P
• 4. Cr
• 5. Fe

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, являющихся металлами и проявляющих в соединениях степень окисления +3.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №10

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Al
• 2. Mg
• 3. Br
• 4. F
• 5. Na

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, простые вещества которых образованы двухатомными молекулами.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №11

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Ne
• 2. He
• 3. Na
• 4. F
• 5. O

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, образующие между собой соединение и проявляющие в них одинаковую валентность.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №12

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Cr
• 2. Zn
• 3. O
• 4. S
• 5. Fe

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, проявляющих в соединениях постоянную валентность.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №13

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Al
• 2. Si
• 3. Mg
• 4. C
• 5. N

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, которые в соединениях проявляют постоянную степень окисления.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №14

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. P
• 2. Cu
• 3. Zn
• 4. Si
• 5. Cl

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, которые в соединениях проявляют только положительные степени окисления.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 23

Пояснение:

Только положительные степени окисления в сложных веществах наблюдаются у металлов.

Задание №15

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Na
• 2. S
• 3. Se
• 4. K
• 5. O

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, высшая степень окисления которых равна +6.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 23

Пояснение:

Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.

Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию):

Химический элемент	Номер группы	Высшая степень окисления
Кислород	VI	+2 (в OF2)
Фтор	VII	0
Медь	I	+2
Железо	VIII	+6 (например K2FeO4)

Таким образом, высшую степень окисления равную +6 имеют атомы химических элементов VI группы — серы и селена. Кислород, несмотря на нахождение данного элемента также в VI группе, такую степень окисления иметь не может. Максимальная степень окисления кислорода равна +2 и наблюдается в специфическом соединении — фториде кислорода (O⁺²F₂).

Задание №16

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Cr
• 2. C
• 3. Ge
• 4. Fe
• 5. Pb

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, которые могут проявлять степень окисления +6.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 14

Пояснение:

Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.

Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию):

Химический элемент	Номер группы	Высшая степень окисления
Кислород	VI	+2 (в OF2)
Фтор	VII	0
Медь	I	+2
Железо	VIII	+6 (например K2FeO4)

Таким образом, для углерода, германия и свинца, высшей является степень окисления +4, т.к. данные элементы расположены в IVA группе. Т.е. более высокие степени окисления, в том числе +6, для них невозможны.

Степень окисления +6 могут проявлять хром и железо. Данная степень окисления является для них высшей.

Задание №17

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. N
• 2. Li
• 3. H
• 4. F
• 5. O

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, которые проявляют в сложных  веществах постоянные степени окисления.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 24

Пояснение:

Постоянные степени окисления в сложных веществах проявляют щелочные металлы (+1), все элементы второй группы, кроме ртути (+2), алюминий (+3) и фтор (-1).

Распространенным заблуждением является мнение о том, что водород и кислород имеют постоянные степени окисления в сложных веществах, однако это не так. Водород, помимо степени окисления +1, которую он проявляет практически всегда в сложных веществах, также может проявлять и степень окисления -1 (гидриды металлов, например, LiH, CaH₂). Кислород, помимо степени окисления -2, может  также иметь степень окисления +2 (OF₂)  и   -1 (пероксиды, например, H₂O₂, Na₂O₂, BaO₂).

Задание №18

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. P
• 2. Se
• 3. Si
• 4. Cr
• 5. S

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, расположенные в одном периоде и высшая степень окисления которых равна +6.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 24

Пояснение:

Высшая степень окисления чаще всего равна номеру группы (исключения ниже в таблице). Поэтому высшая степень окисления +6 наблюдается у серы, селена и хрома. Однако в одном периоде находятся селен и хром. Поэтому правильный ответ 24.

Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию):

Химический элемент	Номер группы	Высшая степень окисления
Кислород	VI	+2 (в OF2)
Фтор	VII	0
Медь	I	+2
Железо	VIII	+6 (например K2FeO4)

Задание №19

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Na
• 2. B
• 3. Al
• 4. As
• 5. P

Из указанных в ряду химических элементов выберите два элемента, способные проявлять валентность, равную V.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 45

Пояснение:

Валентность, равную 5, способны проявлять все элементы 5-й группы, кроме азота. Т.е. подходят мышьяк и фосфор.

*высшая валентность азота равна четырем, а высшая степень окисления азота равна +5.

Задание №20

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Al
• 2. S
• 3. Cr
• 4. P
• 5. Si

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, степень окисления которых в высших оксидах равна +6.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №21

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Na
• 2. Cl
• 3. Si
• 4. Mn
• 5. Cr

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые в соединениях могут проявлять валентность I.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Ответ: 12

Задание №22

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. Al
• 2. Si
• 3. Mg
• 4. C
• 5. N

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые в соединениях проявляют постоянную степень окисления.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №23

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. B
• 2. Al
• 3. F
• 4. Fe
• 5. N

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые проявляют в оксидах степень окисления как +2, так и +3.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №24

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. S
• 2. Na
• 3. Al
• 4. Si
• 5. Mg

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые в соединении с кислородом проявляют степень окисления +4.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №25

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. P
• 2. C
• 3. Si
• 4. Cr
• 5. S

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, степень окисления которых в оксидах может принимать значение +3.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Задание №26

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

• 1. C
• 2. N
• 3. F
• 4. Be
• 5. Ne

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые не проявляют положительной степени окисления.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение

Степень окисления атомов химических элементов (таблица)

Порядковый (атомный) номер	Химический элемент	Символ	Степень окисления атомов элементов
1	Водород / Hydrogen	H	+1, 0, –1
2	Гелий / Helium	He	0
3	Литий / Lithium	Li	+1
4	Бериллий / Beryllium	Be	+2
5	Бор / Boron	B	+3
6	Углерод / Carbon	C	-4, (+2), +4
7	Азот / Nitrogen	N	-3, -2, -1, 0, (+1), +2, +3, +4, +5
8	Кислород / Oxygen	O	-2
9	Фтор / Fluorine	F	-1, 0
10	Неон / Neon	Ne	0
11	Натрий / Sodium	Na	+1
12	Магний / Magnesium	Mg	+2
13	Алюминий / Aluminum	Al	+3
14	Кремний / Silicon	Si	-4, 0, (+2), +4
15	Фосфор / Phosphorus	P	-3, -1, 0, 1, 3, 5
16	Сера / Sulfur	S	-2, -1, 0, +1, +4, +6
17	Хлор / Chlorine	Cl	-1, +1, (+2), +3, (+4), +5, +7
18	Аргон / Argon	Ar	0
19	Калий / Potassium	K	+1
20	Кальций / Calcium	Ca	+2
21	Скандий / Scandium	Sc	+3
22	Титан / Titanium	Ti	+2, +3, +4
23	Ванадий / Vanadium	V	+2, +3, +4, +5
24	Хром / Chromium	Cr	0, +2, +3, +6
25	Марганец / Manganese	Mn	(+1), +2, (+3), +4, (+5), +6, +7
26	Железо / Iron	Fe	+2, +3, (+4), (+6), (+8)
27	Кобальт / Cobalt	Co	(+1), +2, (+3), (+4)
28	Никель / Nickel	Ni	(+1), +2, (+3), (+4)
29	Медь / Copper	Сu	+1, +2, (+3)
30	Цинк / Zinc	Zn	+2
31	Галлий / Gallium	Ga	(+1), +3
32	Германий / Germanium	Ge	+2
33	Мышьяк / Arsenic	As	-3, +3, +5
34	Селен / Selenium	Se	-2, +4, +6
35	Бром / Bromine	Br	-1, 0, +1, +3, +5, +7
36	Криптон / Krypton	Kr	+2, +4, +6
37	Рубидий / Rubidium	Rb	+1
38	Стронций / Strontium	Sr	+2
39	Иттрий / Yttrium	Y	+3
40	Цирконий / Zirconium	Zr	0, +1, +2, +3, +4
41	Ниобий / Niobium	Nb	+1, +2, +3, +4, +5
42	Молибден / Molybdenum	Mo	(+2), (+3), (+4), (+5), +6
43	Технеций / Technetium	Tc	-1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7
44	Рутений / Ruthenium	Ru	+2, +3, +4, +5, +6, +7, +8
45	Родий / Rhodium	Rh	+1, +2, +3, +4, +6
46	Палладий / Palladium	Pd	0, +1, +2, +3, +4, +5
47	Серебро / Silver	Ag	0, +1, +2, +3, +4, +5, +6
48	Кадмий / Cadmium	Cd	+2
49	Индий / Indium	In	+1, +3
50	Олово / Tin	Sn	-4, +2, +4
51	Сурьма / Antimony	Sb	-3, +3, +5
52	Теллур / Tellurium	Te	-2, (+2), +4, +6
53	Иод / Iodine	I	-1, 0, +1, (+3), +5, +7
54	Ксенон / Xenon	Xe	0, +1, +2, +4, +6, +8
55	Цезий / Cesium	Cs	+1
56	Барий / Barium	Ba	+2
57	Лантан / Lanthanum	La	+3
58	Церий / Cerium	Ce	+3, +4
59	Празеодим / Praseodymium	Pr	+3, +4
60	Неодим / Neodymium	Nd	+3
61	Прометий / Promethium	Pm	+3
62	Самарий / Samarium	Sm	+2, +3
63	Европий / Europium	Eu	+2, +3
64	Гадолиний / Gadolinium	Gd	+3
65	Тербий / Terbium	Tb	+3, +4
66	Диспрозий / Dysprosium	Dy	+3
67	Гольмий / Holmium	Ho	+3
68	Эрбий / Erbium	Er	+3
69	Тулий / Thulium	Tm	+2, +3
70	Иттербий / Ytterbium	Yb	+2, +3
71	Лютеций / Lutetium	Lu	+3
72	Гафний / Hafnium	Hf	+2, +3, +4
73	Тантал / Tantalum	Ta	(+3), (+4), +5
74	Вольфрам / Tungsten	W	0, (+2), (+3), (+4), (+5), +6
75	Рений / Rhenium	Re	(-1), +2, (+3), +4, (+5), +6, +7
76	Осмий / Osmium	Os	-2, 0, +2, +3, +4, +6, +8
77	Иридий / Iridium	Ir	(+1), (+2), +3, +4, +5, +6
78	Платина / Platinum	Pt	0, +2, +4
79	Золото / Gold	Au	-1, 0, +1, (+2), +3, +5
80	Ртуть / Mercury	Hg	+1, +2
81	Талий / Thallium	Tl	+1, +3
82	Свинец / Lead	Pb	-4, 0, +2, +4
83	Висмут / Bismuth	Bi	-3, +3, +5
84	Полоний / Polonium	Po	+2, +4, +6
85	Астат / Astatine	At	-1, 0, +1, +5, +7
86	Радон / Radon	Rn	0
87	Франций / Francium	Fr	+1
88	Радий / Radium	Ra	+2
89	Актиний / Actinium	Ac	+3
90	Торий / Thorium	Th	+2, +3, +4
91	Проактиний / Protactinium	Pa	+4, +5
92	Уран / Uranium	U	+3, +4, +5, +6
93	Нептуний / Neptunium	Np	+3, +4, +5, +6, +7
94	Плутоний / Plutonium	Pu	+2, +3, +4, +5, +6, +7
95	Америций / Americium	Am	+3, +4, +5, +6
96	Кюрий / Curium	Cm	+3, +4
97	Берклий / Berkelium	Bk	+3, +4
98	Калифорний / Californium	Cf	+2, +3, +4
99	Эйнштейний	Es	+2, +3, +4
100	Фермий / Fermium	Fm	+3
101	Менделевий / Mendelevium	Md	+1, +2, +3
102	Нобелий / Nobelium	No	+2, +3
103	Лоуренсий / Lawrencium	Lr	+3
104	Резерфордий / Rutherfordium	Rf	+4
105	Дубний	Db	+3, +4, +5
Порядковый (атомный) номер	Химический элемент	Символ	Степень окисления атомов элементов

Где находиться гелий — Знаешь как

Содержание статьи

Любопытно, что на нашей железо-кремниевой планете гелий занимает далеко не первое место, пропуская вперед множество химических элементов. Более того, относительное содержание гелия во внешних оболочках Земли, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, в десятки миллиардов раз меньше, чем во Вселенной в целом. Предполагают, что тот гелий, который был захвачен Землей при ее образовании, постепенно улетучился, ушел в мировое пространство, как, впрочем, и свободный водород.

 

Однако и водород, и гелий полностью покинуть Землю не могли. Первый присутствует на Земле в химически связанном состоянии, второй постоянно возникает в процессе радиоактивного распада. И хотя гелий в свободном состоянии не встречается, геологи утверждают, что невозможно найти природную газовую смесь совершенно лишенную гелия. Концентрация гелия в природных газах, естественно, невелика и варьирует в широчайших пределах: от десятитысячных долей процента до нескольких процентов. И хотя на Земле нет таких областей, о которых можно сказать, что они насыщены гелием, этот элемент присутствует повсюду. Он рассеян по планете.

 

Гелий в атмосфере

Вскоре после открытия У. Рамзая, когда гелий обрел права гражданства на нашей планете, начались усиленные поиски его на Земле. Довольно скоро выяснилось , что гелий все же входит в состав земной атмосферы. Впервые это было установлено при взятии проб воздуха над Бонном в 1904 году, а спустя 9 лет присутствие этого элемента в земном воздухе получило окончательное подтверждение. Правда, в земной атмосфере его оказалось чрезвычайно мало:  около 0,0005 об- %. Впоследствии эти данные неоднократно проверялись. Оказалось, что содержание гелия в земной атмосфере отличается постоянством. Согласно уточненным данным, на каждую 1000 м³ воздуха приходится 5,24 л гелия. Позднее, когда возник промышленный интерес к гелию, стало ясно, что источником гелия воздух быть не может.

 

Сначала предполагали, что обедненность гелием характерна лишь для прилегающего к Земле атмосферного слоя. Ожидалось, что верхние слои атмосферы более насыщены им. Однако исследование этих слоев, начатое еще в 30-е годы при помощи радиозондов и стратостатов, а после второй мировой войны с помощью ракет и искусственных спутников Земли, показало, что это не так. Состав атмосферы остается удивительно постоянным, т. е в основном азотно-кислородная  атмосфера сохраняется  на  протяжении 100 км от поверхности Земли. Лишь в экзосфере, внешней, постепенно переходящей в космическое пространство оболочке Земли, концентрация свободного гелия заметно увеличивается.

Водное пространство планеты, как заметил в свое время В. И. Вернадский, так же как и атмосфера, не может быть местом сосредоточения гелия. Дело в том, что он плохо растворяется в воде. В 1 л морской воды содержится около одной-двух десятитысячных долей гелия и других инертных газов, хотя не исключено, что на больших глубинах, где давление достигает 1000 кгс/см², растворимость гелия в воде может несколько увеличиться.

 

Хранилища гелия

Земная кора более богата гелием, чем атмосфера и гидросфера. По оценкам, сделанным еще В. И. Вернадским, гелий столь же распространен в земной коре, как золото, теллур и платина, хотя, конечно, распространенность его на Земле значительно ниже, чем во Вселенной в целом. В. И. Вернадский не раз задавался вопросом: «Почему так мало гелия? Куда он девался?».Вскоре после открытия гелия начались его интенсивные поиски в горных породах. Именно в составе минералов и был впервые обнаружен земной гелий. Еще У. Рамзай обратил внимание на то, что все богатые ураном и торием минералы содержат и гелий. Но почему это так, в 1897 году объяснить не могли. Минералы вообще способны были удерживать многие газы, не только гелий.

Содержание гелия в урановых минералах, в частности в 1 г торианита, достигает 10,5 см³. Это означает, что парциальное давление гелия внутри кристаллической решетки минерала могло составлять примерно 10 кгс/см². В 1 г знакомого нам клевеита содержится 0,8—3,5 см³ гелия.

Когда была установлена генетическая связь гелия с радиоактивными веществами, присутствие его в содержащих уран и торий минералах стало понятным: гелий должен был постоянно образовываться в результате радиоактивного распада. Это обстоятельство показалось очень перспективным для определения абсолютного возраста горных пород. Но о проблемах геохронологии мы будем более подробно говорить в главе VII. Зесь же нас интересует другое: колебания содержания гелия в минералах были столь велики и, как оказалось, далеко не всегда пропорциональны возрасту минералов, что определяемый с помощью гелия возраст оказывался в десятки и даже в сотни раз заниженным или завышенным. Минералы не были самым надежным хранилищем гелия.

 

Но, пожалуй, самым интересным было то, что наряду с минералами, содержащими гелий, накопившийся в результате радиоактивного распада, нашлись и такие, где радиоактивный распад не происходил или же концентрация радиоактивных веществ была ничтожной, но гелий наблюдался в повышенном количестве. Впервые с этим явлением столкнулся в 1903 году английский ученый Р. Стретт, который систематически исследовал очень многие минералы на предмет содержания в них гелия. Особенно богаты гелием оказались бериллы. Но обнаруженный в них гелий никак не связывался с радиоактивностью элементов, входящих в их состав. Содержание гелия в бериллах из различных месторождений колебалось, но Р. Стретт установил, что, чем древнее минерал, тем больше в нем гелия. Возраст таких минералов, определенный по гелиевому методу, достигал десятков миллиардов лет и значительно превышал возраст самой Земли.

 

Объяснение этому явлению дал в 40-х годах текущего столетия советский ученый Э. К. Герлинг, который в результате специально поставленных экспериментов показал, что в расплавленных породах растворимость гелия, заметно возрастает. Таким образом, избыточный гелий, очевидно, не имеет никакого отношения к собственной радиоактивности минерала. Он попал в эти минералы еще в то время, когда на поверхности Земли господствовали достаточно высокие температуры и многие породы находились в расплавленном состоянии. Минералы, содержащие избыточный гелий, очевидно, представляют интерес не для определения возраста горных пород, а для получения сведений о тепловой истории Земли.

Долгое время, во всяком случае до первой мировой войны, минералы служили единственным источником свободного гелия. При нагревании минералов до 1000 °С можно было заставить их расстаться с гелием, попавшим в поровое пространство. Однако таким способом удалось получить незначительное количество гелия: его хватило лишь для научных исследований.

 

Кстати, именно таким путем добыл гелий для своих ставших классическими опытов по обращению гелия в жидкое состояние голландский ученый X. Камерлинг-Оннес.

 

«Пузыри Земли»

«Земля, как и вода, содержит газы, и это были пузыри Земли». Эти слова вложил В. Шекспир в уста одного из  своих героев.Природные газы,  как их понимает современная наука,— это часть естественного природного вещества, находящегося в газообразном состоянии. В понятие «природные газы» атмосфера не входит. Природные газы — это  сравнительно  небольшие объемы  газа, спрятанного в порах горных пород. Размеры пор и пустот в недрах могут колебаться в широчайших пределах: от долей микрометра до сотен кубических метров. В природных газах немало компонентов: азот и двуокись углерода, сероводород, широчайшая гамма углеводородов,  начиная от метана и кончая более сложными соединениями, инертные газы ксенон, криптон и неон и, как правило, гелий с аргоном.

 

Поскольку гелий генетически связан с радиоактивными элементами, которые рассеяны в земной коре, то и он, как правило, образуется всюду. Частично, как мы уже знаем, накапливается в минералах, а частично растворяется в том веществе, которое его окружает: в первую очередь в воде, а также в природных газах и в нефти. Вместе с природными газами, нефтью, под-. земными водами гелий мигрирует по трещинам и порам, которыми изобилуют горные породы, и, как сказала известный советский геолог В. П. Якуцени, «создает там некоторый, пусть небольшой, но заметный фон собственного присутствия».

На отдельных участках содержание гелия может быть даже весьма -большим. Из всех компонентов максимально обогащенными гелием оказываются именно природные газы. Рекордсменом в этом отношении стал горячийfисточник в Танзании, где содержание гелия в газах, растворенных в водах, достигло 17,7 %.

 

Исследование-«ископаемого гелия» началось еще в конце прошлого века: впервые его обнаружили в вулканических газах Италии, затем в, гейзерах Исландии. Постепенно выяснилось, что в том или ином количестве он наряду с другими благородными газами Присутствует в природных газах различного происхождения: вулканического (сопровождающих извержение вулканов и являющихся результатом химических реакций, протекающих при высоких температурах), тектонического (такие газовые струи возникают там, где имеются нарушения залегания горных пород; выводящими путями для них служат тектонические трещины) и, наконец, осадочного. Нашли гелий и в составе рудничных газов.

Конечно, степень насыщенности естественных газов гелием зависит от многих факторов, в частности от  интенсивности поступающего гелия из окружающих пород. Но ни вода, ни нефть по степени накопления гелия не могут конкурировать с природными газами И с практической точки зрения, как потенциальный источник гелия, наибольший интерес представляют именно «пузыри Земли», т. е. газовые месторождения

 

Гелий-3 на Земле

Если радиоактивным изотопам гелия из-за кратковременности их существования так и не удалось покинуть лабораторию и сыграть сколько-нибудь значительную роль в эволюции вещества, то поиски второго после гелия-4 стабильного изотопа — гелия-3 — представляют определенный интерес. Здесь ученым пришлось столкнуться с очередной загадкой гелия: легкий изотоп встречался в земном веществе в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды раз реже, чем гелий-4.

На изотопное отношение природного гелия обратили внимание еще в 1939 году, после открытия изотопа гелия с массовым числом 3. Первые оценки содержания гелия-3 в атмосфере и некоторых природных газах, сделанные Л. Альваресом и Р. Корногом, показали, что его в 10⁶ — 10⁸ раз меньше, чем гелия-4. То, что этот изотоп не был обнаружен в свое время Ф. Астоном, казалось неудивительным: чтобы определить присутствие таких малых количеств изотопа гелия-3, нужна была более чувствительная аппаратура.

 

Самым же странным было не крайне низкое содержание гелия-3, изотопа стабильного в земном веществе, а необычайные вариации изотопного отношения гелия.

«В природе нет другого элемента, изотопное отношение которого менялось бы в столь широких пределах (отношение 3Не/4Не меняется более, чем на девять порядков)»,— писал в 1956 году известный советский

физик В. В. Чердынцев.

Исследование изотопного отношения гелия в природе знаменовало собой начало второго гелиевого века. Оказалось, что в различных местах земного шара оно различно. Наиболее высокая концентрация гелия-3 характерна для вулканических газов, где отношение ³Не/⁴Не примерно в 10 раз превышает атмосферное. Меньше всего гелия-3 обнаружили в радиоактивных минералах,  где отношение 3Не/4Не приблизительно равно 10⁻¹⁰. Это становится понятным, если учесть, что радиоактивные минералы содержат до 10 % урана и тория, при альфа-распаде которых постоянно пополняются запасы только тяжелого изотопа гелия. А вот литиевые минералы оказались в десятки и сотни тысяч раз более богатыми гелием-3, чем урановые и ториевые.

 

Обращало на себя внимание и такое обстоятельство: чем с больших глубин брались пробы газа, тем более высоким оказывалось и изотопное отношение гелия. Для вулканических и природных газов осадочной толщи оно различалось в сотни тысяч раз.

Возникал вопрос: имеет ли какое-либо отношение распространенность гелия-3 к проблеме происхождения гелия на Земле? Для ответа на вопрос необходимо обратиться к внеземным объектам. Оказалось, что практически во всех объектах внеземного происхождения: метеоритах и образцах лунного грунта, космическом излучении и солнечном ветре — присутствуют стабильные изотопы гелия. В 1952 году Ф. Панет исследовал изотопное отношение гелия в железных метеоритах. Он нашел, что хотя гелий и составляет миллионные доли вещества метеоритов, но изотопное отношение его достигает рекордного по сравнению с веществом Земли значения: 0,315. Предполагали, что легкий изотоп гелия образуется в метеоритах в результате ядерных реакций, протекающих под действием космического излучения. Подсчитано, что за один год в 1 г вещества железных метеоритов может обра-зовываться 5·10⁻¹⁴ см³ гелия. А возраст метеоритов составляет 10⁸— 10⁹ лет, и все это время они подвергаются «обстрелу» космическим излучением.

 

В каменных метеоритах изотопное отношение ге-лия в десятки раз ниже, чем в железных. Такое обеднение легким изотопом гелия объясняют, как и в случае радиоактивных минералов Земли, тем, что доля радиогенного гелия, возникшего в этих телах в результате альфа-распада, выше, чем в железных метеоритах из-за более высокого содержания в них радио-активных элементов. Кстати, такое обогащение гелием-3   справедливо   только   для   поверхностных областей метеоритов, куда могло проникнуть космическое излучение. Во внутренних же областях метеоритов изотопное отношение гелия оказывается удивительно постоянным: 3·10⁻⁴, т. е. на 10000 ядер гелия приходится три его легких изотопа.

 

Впервые такие данные получили в 1955 году советские ученые Э. К. Герлинг и Л. К. Левский, изучавшие состав метеорита Старое Песьяное. Они пред-, положили, что в веществе метеоритов сохранился так называемый первичный, солнечный, гелий, отражающий состав того вещества, из которого метеориты некогда образовались. Гипотеза о сохранении первичного гелия получила подтверждение, когда в руки исследователей попали образцы лунного грунта, доставленные советскими космическими станциями «Луна-16», «Луна-17» и американской экспедицией «Аполлон-14». В лунных породах изотопное отношение гелия было гораздо выше, чем для любого образца земного вещества: 10⁻²—10⁻⁴.

 

Гелий-3 в космосе

Однако в природе есть еще один объект (если его можно назвать объектом), богатый гелием-3. Это — космическое излучение. Несмотря на исчисляемый миллионами лет возраст, это излучение — не первое (относительно начала расширения) поколение вещества Вселенной. Согласно современным представлениям галактическое космическое излучение образуется во время взрывов сверхновых звезд, когда высокие температуры и огромная   концентрация   нейтронов делают за короткое время осуществимыми реакции присоединения нейтронов.  И это приводит к возникновению практически всех мыслимых изотопов атомных ядер. В космическом излучении, как и во Вселенной в целом, гелий занимает второе место после водорода: 85 % водорода,  14 % гелия и  1 % ядер.

 

Относительно изотопного состава космического излучения долго сведений не было. Дело в том, что основным детектором, позволяющим судить о зарядах частиц, входящих в состав космического излучения,

долгое время служила ядерная фотоэмульсия, с помощью которой можно было провести достаточно надежную идентификацию частиц в зависимости от зарядов, но не от масс частиц. Гелий-3 и гелий-4, попавшие в фотоэмульсию, практически неразличимы, как и гелий-6 и гелий-8. Но радиоактивные изотопы гелия можно идентифицировать по их распадам, как это, в частности, было сделано в опытах О. В. Ложкина и А. А. Римского-Корсакова.

Было установлено, что изотопное отношение гелия в космическом излучении достаточно высоко. При энергии 8 — 350 МэВ/нуклон одно ядро гелия-3 можно встретить среди десяти ядер гелия-4. А в составе очень быстрой, галактической, части космического излучения гелий-3 может встретиться даже чаще, чем основной изотоп.

 

В околосолнечном пространстве есть еще один источник корпускулярного, т. е. состоящего из частиц, излучения. Это — солнечный ветер, представляющий собой поток нейтральной плазмы из положительно заряженных частиц [в основном легких ядер: протонов, дейтронов, тритонов (ядер трития), гелия-3 и гелия-4 и электронов. Солнечный ветер отражает состав внешних оболочек Солнца. Интересующее нас изотопное отношение ³Не/⁴Не в солнечном ветре составляет (З÷4)·10⁻⁴.

Солнечный ветер «дует» в нашей Солнечной системе постоянно. Но энергия и интенсивность входящих в его состав частиц невелики, во всяком случае поверхности  Земли  солнечный  ветер  достигнуть не может; атмосфера и магнитное поле нашей планеты полностью гасят его «порывы». Что же касается безатмосферных планет земной группы (Луны, Меркурия), к тому же лишенных магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы, то их поверхности находятся под непрерывным «обстрелом» солнечными частицами. И это не может не сказаться на изотопном составе. Поэтому неудивительно, что в пробах лунного грунта изотопное отношение гелия было таким же, что и для солнечного ветра.

 

Однако время от времени астрономы наблюдают явления, которые называют солнечными вспышками. При помощи специальной аппаратуры, установленной на космических аппаратах, удалось выяснить, что многие вспышки аномально богаты гелием-3, именно гелием-3, который по содержанию в несколько раз превышал гелкй-4, а нередко был сравним с потоками водорода. Наиболее вероятное объяснение этих фактов связывается с ядерными реакциями, протекающими на поверхности Солнца, хотя, очевидно, имеется и некоторая связь между содержанием гелия-3 в солнечных недрах и энергетикой Солнца. Именно ядерные реакции объясняют и обогащение поверхностных областей метеоритов и космического излучения гелием-3.

 

В 40—50-х годах многими физиками, изучавшими взаимодействие достаточно энергичных частиц (протонов, мезонов, нейтронов, легких ядер как космического происхождения, так и искусственно ускоренных) с атомными ядрами, наблюдалось рождение новых ядер из ядерного вещества. Физики назвали этот процесс фрагментацией. Оказалось, что при расщеплении атомных ядер частицами высоких энергий могут образовываться практически все изотопы легких ядер какие только могут быть в природе. Выяснилось что этот процесс играет не последнюю роль и в эволюции Вселенной .

 

Именно фрагментацией можно объяснить богатые гелием-3 солнечные вспышки. Осколки ядер рожденных из атомных ядер, в которые попали частицы космического излучения, меняют химический со-став метеоритов. И даже состав космического  излучения при его длительном путешествии через межзвёздную среду в известной степени определяется фрагментацией. В   ядерных   реакциях , протекающей под действием протонов, пи-мезонов , дейтронов и других частиц высокой энергии, доля гелия-3 (по отношению к гелию-4) может достигать в среднем 40 %, причем в высокоэнергетической части спектра отношение гелия-3 к гелию-4 приблизительно равно 3. Таким образом, неудивительно, что в тех космических объектах, где в течение .длительного времени происходили ядерные превращения, должно накопиться гораздо больше гелия-3, чем осталось от первых, начальных, мгновений Вселенной. И поскольку содержание гелия-3 и гелия-4 постоянно меняется, возникает вопрос: сохранилось ли первозданное изотопное отношение гелия и если сохранилось, то где его искать?

 

 

Статья на тему Где находиться гелий на Земле

Валентность гелия (He), формулы и примеры

Общие сведения о валентности гелия

По физическим свойствам гелий наиболее близок к молекулярному водороду. Вследствие ничтожной поляризуемости атомов гелия у него самые низкие температуры кипения (-269^oС) и плавления (-271^oС при 2,5×10⁶ Па).

Гелий по сравнению с другими элементами обладает наибольшей энергией ионизации атома (24,59 эВ). Особая устойчивость электронной структуры атома отличает гелий от остальных элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.

Гелий хуже других газов растворяется в воде и других растворителях. В 1 л воды, например, растворяется при 0^oС менее 10 мл гелия, т.е. в два с лишним раза меньше, чем молекул водорода (H₂), и в 51000 раз меньше, чем молекул хлороводорода (HCl).

После водорода гелий – самый легкий из всех газов. Он более чем в 7 раз легче воздуха.

Валентность гелия в соединениях

Ядро атома гелия содержит два протона и два нейтрона (массовое число гелия равно 4-м). Как и в атоме водорода, у гелия есть всего один энергетический уровень, на котором находятся два электрона (рис. 1).

Рис. 1. Строение атома гелия.

Электронная формула атома гелия в основном состоянии выглядит следующим образом:

1s².

А энергетическая диаграмма:

Поскольку на s-подуровне может содержаться не более 2-х электронов, то внешний энергетический уровень гелия является завершенным. В этой связи гелий является малоактивным химическим элементом и выделен в группу инертных газов. Т.е., можно сказать, что валентность гелия равна нулю.

Однако, при сильном возбуждении атомов он может образовывать молекулярные ионы He⁺₂[σ²_sσ^*1_s]. В обычных условиях эти ионы неустойчивы; захватывая недостающий электрон, они распадаются на два нейтральных атома. Возможно также образование ионизированных молекул HeH⁺[σ²_s].

Примеры решения задач