Инертные газы: определение, понятие и применение

Инертные газы представляют собой удивительную группу химических элементов, которые широко используются в промышленности и технике, однако мало кто знает об их уникальных свойствах.

Определение инертных газов

Инертные газы, также называемые благородными или редкими, - это группа химических элементов с очень низкой химической активностью. К ним относятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон.

Инертные газы химически неактивны и способны участвовать в химических реакциях лишь при экстремальных условиях.

Эти газы при нормальных условиях представляют собой одноатомные бесцветные вещества без запаха. Их химическая инертность объясняется особенностями строения электронных оболочек.

Физические и химические свойства

Все инертные газы при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Их плотность закономерно возрастает с увеличением порядкового номера элемента в периодической системе.

• Гелий в 7 раз легче воздуха
• Радон почти в 8 раз тяжелее воздуха

Температуры кипения инертных газов близки к температурам их плавления, поэтому в жидком состоянии они находятся лишь в узком температурном интервале. Гелий при нормальном давлении вообще не затвердевает даже при абсолютном нуле.

Все инертные газы практически нерастворимы в воде и других жидкостях. Они также не имеют электроотрицательности.

Причины химической инертности

Химическая инертность инертных газов связана с завершенностью электронных оболочек их атомов, что препятствует образованию химических связей с другими элементами.

Однако более тяжелые инертные газы, такие как ксенон и радон, проявляют заметно бóльшую химическую активность по сравнению с легкими, такими как гелий и неон.

Нахождение в природе

Инертные газы присутствуют в атмосфере Земли, однако их содержание невелико. Наиболее распространен аргон, концентрация которого составляет около 1%.

Основная часть гелия на Земле имеет радиогенное происхождение и образуется в результате распада урана и других тяжелых элементов в недрах планеты.

Промышленные запасы гелия сосредоточены в месторождениях природного газа, где его концентрация достигает экономически рентабельного уровня.

Применение в промышленности

Благодаря своим уникальным свойствам, инертные газы нашли широкое применение в различных областях промышленности и техники.

Получение из воздуха

Для промышленного производства инертных газов используется метод глубокой очистки атмосферного воздуха методом низкотемпературной ректификации.

Таким образом из воздуха выделяют неон, аргон, криптон и ксенон. Гелий и радон получают другими способами.

Зачем лампы накаливания наполняют инертным газом

Инертные газы применяются для наполнения колб ламп накаливания, чтобы предотвратить окисление раскаленной вольфрамовой нити электрического тока на воздухе.

Применение в сварке

Дешевый и доступный аргон используется в качестве защитного газа при сварке реакционноактивных металлов для предотвращения взаимодействия расплавленного металла с кислородом и азотом воздуха.

Применение в оптике

Инертные газы, обладающие низкой теплопроводностью, используются для заполнения межстекольного пространства в энергосберегающих стеклопакетах для окон. Чаще всего применяется аргон, реже - криптон и ксенон.

Зачем баллоны современных ламп наполняют инертным газом

В отличие от ламп накаливания, в современных энергосберегающих лампах используется газовый разряд в парах ртути или натрия в баллоне, заполненном инертным газом. Это нужно для облегчения возникновения и стабилизации разряда, а также предотвращения коррозии электродов.

Криогенное применение

Благодаря очень низким температурам кипения, такие инертные газы как гелий и неон применяются в криогенной технике в качестве хладагентов для получения сверхнизких температур.

Гелий в аэростатах

Легкий инертный гелий используется для заполнения аэростатов - дирижаблей и воздушных шаров. Это обеспечивает их безопасность и негорючесть по сравнению с токсичным и огнеопасным водородом, который применялся ранее.

Зачем баллоны ламп накаливания наполняют инертным газом

Как уже упоминалось выше, инертные газы в колбах ламп накаливания необходимы для защиты нити накала от воздействия воздуха и предотвращения ее быстрого перегорания.

Применение в электронике

Благодаря электрической непроводимости, инертные газы широко используются в производстве полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и других изделий электронной техники для создания защитной среды и предотвращения повреждений электрическими разрядами.

Медицинское применение ксенона

Инертный газ ксенон обладает обезболивающим и наркотическим действием, поэтому его используют в медицине в качестве компонента дыхательных анестезирующих смесей.

Применение в хроматографии

Благодаря химической инертности, гелий, аргон, азот широко используются в качестве газа-носителя в газовой и газожидкостной хроматографии - методе разделения и анализа сложных смесей органических и неорганических веществ.

Применение гелия в водолазном деле

Благодаря низкой растворимости в жидкостях и липидах, гелий используется в составе дыхательных смесей для водолазов вместо азота. Это позволяет уменьшить наркотическое действие газов на глубине и снизить риск возникновения кессонной болезни при быстром всплытии.

Примеси инертных газов в атмосфере планет

Заметные концентрации инертных газов, в частности гелия и неона, обнаружены в атмосферах газовых гигантов - Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Это объясняется вулканической дегазацией недр этих планет.

Радиоактивность радона

Единственный радиоактивный представитель группы инертных газов - радон. Он имеет несколько изотопов, самый долгоживущий из которых - радон-222 - образуется в результате распада радия и имеет период полураспада 3,8 суток. Продукты распада радона опасны при вдыхании.

Перспективы применения инертных газов

Химическая инертность и уникальные физические свойства инертных газов открывают перспективы их использования в передовых технологиях будущего, таких как квантовые вычисления, наноэлектроника, термоядерная энергетика, освоение космоса и других.

Экономическая эффективность

Несмотря на кажущуюся экзотичность, применение инертных газов во многих областях оказывается экономически выгодным и повышает энергоэффективность технологических процессов по сравнению с традиционными решениями.

Экологическая безопасность

Инертные газы, будучи химически неактивными и не вступая в реакции с другими веществами, являются абсолютно экологически безопасными. Их использование позволяет заменить токсичные и опасные вещества в некоторых технологиях.

Применение инертных газов в космонавтике

Благодаря химической инертности и устойчивости инертные газы широко используются в космической технике в качестве рабочего тела в ракетных двигателях, для продувки и промывки топливных баков, создания среды внутри приборов и датчиков.

Инертные газы в осветительных приборах

Помимо ламп накаливания, инертные газы применяются для заполнения люминесцентных и светодиодных ламп. Они позволяют оптимизировать условия для возникновения электрического разряда и светоизлучения.

Применение в пищевой промышленности

Инертные газы используются для создания защитной атмосферы при производстве и хранении пищевых продуктов. Это предотвращает окисление и порчу продуктов кислородом воздуха.

Роль в химическом анализе

Благодаря стабильности и инертности, гелий, аргон и азот служат газами-носителями в газовой и газожидкостной хроматографии - методе разделения и количественного анализа сложных смесей.

Перспективы в ядерной энергетике

Инертные газы рассматриваются в качестве теплоносителя и рабочего тела в перспективных проектах ядерных реакторов 4-го поколения со сверхкритическими параметрами теплоносителя.

Применение инертных газов в оптоволоконной технике

Благодаря химической инертности, аргон и азот используются для создания защитной среды при производстве оптического волокна. Это предотвращает попадание влаги и загрязнений в оптоволокно на этапе изготовления.

Инертные газы в аналитическом приборостроении

Гелий, азот и аргон применяются как газ-носитель и как компонент плазмы в атомно-эмиссионных и масс-спектрометрических методах анализа веществ, позволяя достичь высокой чувствительности.

Применение в ядерной медицине

Радиоактивный изотоп инертного газа ксенона-133 используется в медицинской визуализации органов дыхания, мозга и сердца с помощью однофотонной эмиссионной компьютерной томографии.

Роль в получении сверхчистых материалов

Инертные газы как химически пассивная среда применяются в методах очистки и синтеза сверхчистых полупроводниковых, оптических и других высокотехнологичных материалов.

Перспективы квантовых технологий с участием инертных газов

Уникальные квантовые свойства инертных газов при сверхнизких температурах открывают путь к созданию квантовых сенсоров, стандартов частоты и даже квантовых компьютеров на их основе.