KHÍ QUÝ: ĐẶC ĐIỂM, CẤU HÌNH, PHẢN ỨNG, CÔNG DỤNG - HÓA HỌC - 2026

Các khí trơ là một tập hợp các yếu tố tìm thấy bằng cách tích hợp các nhóm 18 của bảng tuần hoàn. Trong nhiều năm, chúng cũng được gọi là khí hiếm hoặc khí trơ, cả hai tên đều không chính xác; một số trong số chúng có rất nhiều bên ngoài và bên trong hành tinh Trái đất, và chúng cũng có khả năng phản ứng, trong những điều kiện khắc nghiệt.

Bảy nguyên tố của nó có lẽ tạo nên nhóm độc nhất trong bảng tuần hoàn, có đặc tính và độ phản ứng thấp ấn tượng như các kim loại quý. Trong số đó có nguyên tố trơ nhất (neon), nguyên tố phong phú thứ hai trong Vũ trụ (heli), và nặng nhất và không ổn định nhất (oganeson).

Sự phát sáng của năm loại khí quý trong lọ hoặc ống thủy tinh. Nguồn: Tác phẩm mới Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew.de); hình ảnh đơn ban đầu: Jurii, http://images-of-elements.com.

Khí quý là những chất lạnh nhất trong tự nhiên; chịu được nhiệt độ rất thấp trước khi ngưng tụ. Khó khăn hơn nữa là sự đóng băng của nó, vì lực liên phân tử của nó dựa trên sự tán xạ London, và tính phân cực của các nguyên tử, quá yếu để chỉ giữ chúng gắn kết trong một tinh thể.

Do khả năng phản ứng thấp, chúng là loại khí tương đối an toàn để lưu trữ và không tiềm ẩn quá nhiều rủi ro. Tuy nhiên, chúng có thể làm mất oxy từ phổi và gây ngạt thở nếu hít phải quá mức. Mặt khác, hai trong số các thành viên của nó là các nguyên tố có tính phóng xạ cao và do đó gây nguy hiểm cho sức khỏe.

Khả năng phản ứng thấp của các khí quý cũng được sử dụng để cung cấp các phản ứng trong môi trường trơ; để không có thuốc thử hoặc sản phẩm nào có nguy cơ bị oxy hóa và ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình tổng hợp. Điều này cũng hỗ trợ quá trình hàn hồ quang điện.

Mặt khác, ở trạng thái lỏng, chúng là chất làm lạnh đông lạnh tuyệt vời đảm bảo nhiệt độ thấp nhất, cần thiết cho hoạt động chính xác của thiết bị năng lượng cao, hoặc đối với một số vật liệu đạt trạng thái siêu dẫn.

Đặc điểm của khí quý

Ở bên phải (tô màu cam), là nhóm khí quý. Từ trên xuống: Heli (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) và radon (Rn).

Có lẽ khí cao quý là những nguyên tố có nhiều điểm chung nhất, cả vật lý và hóa học. Các đặc điểm chính của nó là:

- Tất cả chúng đều không màu, không mùi, không vị; nhưng khi chúng được bao bọc trong ống ở áp suất thấp, và chúng nhận được một cú sốc điện, chúng sẽ ion hóa và phát ra ánh sáng nhiều màu sắc (ảnh trên).

- Mỗi khí quý có ánh sáng và quang phổ riêng.

- Chúng là những loài đơn nguyên, duy nhất trong bảng tuần hoàn có thể tồn tại ở trạng thái vật lý tương ứng mà không cần sự tham gia của liên kết hóa học (vì kim loại tham gia với nhau bằng liên kết kim loại). Do đó, chúng rất thích hợp để nghiên cứu các tính chất của khí, vì chúng thích ứng rất tốt với mô hình hình cầu của khí lý tưởng.

- Nhìn chung chúng là những nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp nhất; nhiều đến mức helium thậm chí không thể kết tinh ở độ không tuyệt đối nếu không tăng áp suất.

- Trong tất cả các nguyên tố, chúng ít phản ứng nhất, thậm chí kém hơn các kim loại quý.

- Năng lượng ion hóa của chúng là cao nhất, cũng như độ hút điện của chúng, giả sử chúng tạo thành liên kết cộng hóa trị thuần túy.

- Bán kính nguyên tử của chúng cũng nhỏ nhất vì chúng ở cực bên phải của mỗi chu kì.

7 khí quý

Bảy khí cao quý, theo thứ tự từ trên xuống dưới, giảm dần ở nhóm 18 của bảng tuần hoàn:

-Helio, He

-Neon, Ne

-Argon, Ar

-Krypton, Kr

-Xenon, Xe

-Radon, Rn

-Oganeson, Og

Tất cả chúng, ngoại trừ oganeson không ổn định và nhân tạo, đã được nghiên cứu về các tính chất vật lý và hóa học của chúng. Oganeson, do khối lượng nguyên tử lớn, được cho là thậm chí không phải là khí, mà là một chất lỏng hoặc chất rắn cao quý. Người ta biết rất ít về radon, vì tính phóng xạ của nó, tương đối với heli hoặc argon.

Cấu hình điện tử

Khí quý đã được cho là có đầy đủ vỏ hóa trị của chúng. Nhiều đến mức các cấu hình điện tử của chúng được sử dụng để đơn giản hóa cấu hình của các phần tử khác bằng cách sử dụng các ký hiệu của chúng được đặt trong dấu ngoặc (,,, v.v.). Các cấu hình điện tử của nó là:

-Helium: 1s ² , (2 electron)

-Neon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ , (10 electron)

-Argon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ , (18 electron)

-Krypton: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ , (36 electron)

-Xenon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶ , (54 electron)

-Radon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 4f ¹⁴ 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰ 6s ² 6p ⁶ , (86 electron)

Điều quan trọng là không phải nhớ chúng, mà là chi tiết rằng chúng kết thúc bằng ns ² np ⁶ : octet hóa trị. Tương tự như vậy, người ta đánh giá cao rằng nguyên tử của nó có nhiều electron, do lực hạt nhân tác dụng lớn nên có thể tích nhỏ hơn so với thể tích của các nguyên tố khác; nghĩa là, bán kính nguyên tử của chúng nhỏ hơn.

Do đó, bán kính nguyên tử đậm đặc về mặt điện tử của chúng thể hiện một đặc tính hóa học mà tất cả các khí quý đều có chung: chúng khó phân cực.

Tính phân cực

Khí cao quý có thể được hình dung như những quả cầu của các đám mây electron. Khi một hạt đi xuống qua nhóm 18, bán kính của nó tăng lên, và theo cùng một cách khoảng cách tách hạt nhân khỏi các electron hóa trị (của ns ² np ⁶ ).

Các electron này cảm thấy một lực hấp dẫn ít hơn bởi hạt nhân, chúng có thể chuyển động tự do hơn; các quả cầu càng dễ biến dạng khi chúng càng lớn. Kết quả của những chuyển động như vậy, các vùng có mật độ electron thấp và cao xuất hiện: các cực δ + và δ-.

Khi nguyên tử của khí cao quý bị phân cực, nó trở thành một lưỡng cực tức thời có khả năng gây cảm ứng cho nguyên tử khác với nguyên tử lân cận; có nghĩa là, chúng ta đang đứng trước lực lượng phân tán của London.

Đó là lý do tại sao lực giữa các phân tử tăng từ heli đến radon, thể hiện ở điểm sôi tăng dần của chúng; và không chỉ vậy, mà khả năng phản ứng của chúng cũng được tăng lên.

Khi các nguyên tử trở nên phân cực hơn, có nhiều khả năng các điện tử hóa trị của chúng tham gia vào các phản ứng hóa học, sau đó các hợp chất khí cao hơn được tạo ra.

Phản ứng

Heli và neon

Trong số các khí quý, ít phản ứng nhất là heli và neon. Trên thực tế, neon là nguyên tố trơ nhất, mặc dù độ âm điện của nó (từ việc hình thành liên kết cộng hóa trị) lớn hơn độ âm điện của flo.

Không có hợp chất nào của nó được biết đến trong điều kiện trên cạn; tuy nhiên, trong vũ trụ, sự tồn tại của ion phân tử HeH ⁺ là hoàn toàn có thể xảy ra . Tương tự như vậy, khi chúng bị kích thích điện tử, chúng có khả năng tương tác với các nguyên tử ở thể khí và hình thành các phân tử trung tính tồn tại trong thời gian ngắn gọi là excimers; chẳng hạn như HeNe, CsNe và Ne ₂ .

Mặt khác, mặc dù chúng không được coi là hợp chất theo nghĩa chính thức, các nguyên tử He và Ne có thể tạo ra các phân tử Van der Walls; nghĩa là, các hợp chất được giữ "với nhau" đơn giản bằng các lực phân tán. Ví dụ: Ag ₃ He, HeCO, HeI ₂ , CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ và NeBeCO ₃ .

Tương tự, các phân tử Van der Walls như vậy có thể tồn tại nhờ các tương tác lưỡng cực do ion yếu gây ra; ví dụ: Na ⁺ He ₈ , Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ và Cu ⁺ Ne ₁₂ . Lưu ý rằng thậm chí có thể cho các phân tử này trở thành kết tụ của các nguyên tử: cụm.

Và cuối cùng, các nguyên tử He và Ne có thể bị "mắc kẹt" hoặc xen kẽ trong các phức chất nội mặt của fulleren hoặc clathrat, mà không phản ứng; ví dụ: ₆₀ , (N ₂ ) ₆ Ne ₇ , He (H ₂ O) ₆ và Ne • NH ₄ Fe (HCOO) ₃ .

Argon và krypton

Các khí cao cấp argon và krypton, vì chúng dễ phân cực hơn, có xu hướng tạo ra nhiều "hợp chất" hơn heli và neon. Tuy nhiên, một phần của chúng ổn định hơn và đặc trưng hơn, vì chúng có tuổi thọ cao hơn. Trong số đó có HArF, và ion phân tử ArH ⁺ , hiện diện trong tinh vân do tác động của tia vũ trụ.

Từ krypton bắt đầu có khả năng thu được các hợp chất trong điều kiện khắc nghiệt nhưng bền vững. Khí này phản ứng với flo theo phương trình hóa học sau:

Kr + F ₂ → KrF ₂

Lưu ý rằng krypton thu được số oxi hóa +2 (Kr ²⁺ ) nhờ flo. Trên thực tế, KrF ₂ có thể được tổng hợp với số lượng bán được trên thị trường như một chất oxy hóa và flo hóa.

Argon và krypton có thể thiết lập một loạt các clathrat, phức chất nội mặt, phân tử Van der Walls và một số hợp chất đang chờ được khám phá sau sự tồn tại được dự đoán của chúng.

Xenon và radon

Xenon là vua của phản ứng trong số các khí quý. Nó tạo thành các hợp chất thực sự ổn định, có thể bán được trên thị trường và đặc trưng. Trên thực tế, phản ứng của nó tương tự như phản ứng của oxy trong điều kiện thích hợp.

Hợp chất tổng hợp đầu tiên của ông là "XePtF ₆ ", vào năm 1962 bởi Neil Bartlett. Theo tài liệu, muối này thực sự bao gồm một hỗn hợp phức tạp của các muối flo hóa khác của xenon và bạch kim.

Tuy nhiên, điều này là quá đủ để chứng minh ái lực giữa xenon và flo. Trong số một số hợp chất này, chúng ta có: XeF ₂ , XeF ₄ , XeF ₆ và ^{+ -} . Khi XeF ₆ tan trong nước, nó tạo ra một oxit:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

XeO _{3 này} có thể bắt nguồn từ các loài được gọi là xenatos (HXeO ₄ ^- ) hoặc axit xenic (H ₂ XeO ₄ ). Xenate không tương xứng với perxenate (XeO ₆ ^4- ); và nếu môi trường sau đó được axit hóa, trong axit peroxenic (H ₄ XeO ₆ ), được khử nước thành xenon tetroxit (XeO ₄ ):

H ₄ XeO ₆ → 2 H ₂ O + XeO ₄

Radon nên phản ứng mạnh nhất trong số các khí quý; Nhưng nó có tính phóng xạ đến mức nó khó có thời gian để phản ứng trước khi tan rã. Các hợp chất duy nhất đã được tổng hợp hoàn toàn là florua (RnF ₂ ) và oxit (RnO ₃ ).

Sản xuất

Hóa lỏng không khí

Các khí quý trở nên dồi dào hơn trong Vũ trụ khi chúng ta đi xuống nhóm 18. Tuy nhiên, trong khí quyển, heli rất khan hiếm, vì trường hấp dẫn của Trái đất không thể giữ lại nó, không giống như các khí khác. Đó là lý do tại sao nó không được phát hiện trong không khí mà ở Mặt trời.

Mặt khác, có một lượng đáng kể argon trong không khí, sinh ra từ sự phân rã phóng xạ của đồng vị phóng xạ ⁴⁰ K. Không khí là nguồn argon, neon, krypton và xenon tự nhiên quan trọng nhất trên hành tinh.

Để sản xuất chúng, trước tiên không khí phải được hóa lỏng để nó ngưng tụ thành chất lỏng. Sau đó, chất lỏng này trải qua quá trình chưng cất phân đoạn, do đó tách từng thành phần của hỗn hợp của nó (N ₂ , O ₂ , CO ₂ , Ar, v.v.).

Tùy thuộc vào nhiệt độ thấp và lượng khí dồi dào, giá của nó tăng lên, xếp hạng xenon là đắt nhất, trong khi heli là rẻ nhất.

Chưng cất khí thiên nhiên và khoáng chất phóng xạ

Về phần nó, Heli thu được từ một quá trình chưng cất phân đoạn khác; nhưng không phải từ không khí, mà từ khí tự nhiên, được làm giàu bằng heli nhờ sự giải phóng các hạt alpha từ các khoáng chất phóng xạ thori và uranium.

Tương tự như vậy, radon được "sinh ra" từ sự phân rã phóng xạ của radium trong các khoáng chất tương ứng của nó; nhưng do mức độ phong phú thấp hơn và chu kỳ bán rã ngắn của các nguyên tử Rn, mức độ phong phú của chúng kém hơn so với các đồng loại của chúng (các khí quý khác).

Và cuối cùng, oganeson là một loại "khí" cao quý có tính phóng xạ cao, siêu khối, do con người tạo ra, chỉ có thể tồn tại trong thời gian ngắn trong các điều kiện được kiểm soát trong phòng thí nghiệm.

Nguy hiểm

Nguy cơ chính của các khí quý là chúng hạn chế việc sử dụng ôxy của con người, đặc biệt là khi sinh ra một bầu khí quyển có nồng độ khí cao. Đó là lý do tại sao không nên hít chúng quá mức.

Tại Hoa Kỳ, nồng độ radon cao đã được phát hiện trong đất giàu uranium, do đặc tính phóng xạ của nó có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe.

Các ứng dụng

Ngành công nghiệp

Heli và argon được sử dụng để tạo ra một bầu không khí trơ để bảo vệ trong quá trình hàn và cắt. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn silicon. Heli được sử dụng làm khí nạp trong nhiệt kế.

Argon, kết hợp với nitơ, được sử dụng trong sản xuất đèn sợi đốt. Krypton trộn với halogen, chẳng hạn như brom và iốt, được sử dụng trong đèn phóng điện. Neon được sử dụng trong các dấu hiệu ánh sáng, trộn với phốt pho và các khí khác để tô màu đỏ của nó.

Xenon được sử dụng trong đèn hồ quang phát ra ánh sáng giống như ánh sáng ban ngày, được sử dụng trong đèn pha và máy chiếu ô tô. Các khí cao này được trộn với các halogen để tạo ra ArF, KrF hoặc XeCl, được sử dụng trong sản xuất laser excimer.

Loại laser này tạo ra tia cực tím sóng ngắn tạo ra hình ảnh có độ chính xác cao và được sử dụng trong sản xuất vi mạch tích hợp. Heli và neon được sử dụng làm khí làm lạnh đông lạnh.

Bóng bay và bình thở

Heli được sử dụng để thay thế nitơ trong hỗn hợp khí hô hấp, do khả năng hòa tan thấp trong cơ thể. Điều này tránh sự hình thành các bong bóng trong giai đoạn giải nén trong quá trình đi lên, ngoài việc loại bỏ tình trạng mê man nitơ.

Heli đã thay thế hydro làm khí cho phép bay lên của khí cầu và khinh khí cầu, bởi vì nó là một loại khí nhẹ và không cháy.

Thuốc

Heli được sử dụng trong sản xuất nam châm siêu dẫn được sử dụng trong thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân - một công cụ đa năng trong y học.

Krypton được sử dụng trong đèn halogen dùng trong phẫu thuật mắt bằng laser và tạo hình mạch. Heli được sử dụng để tạo điều kiện thở cho bệnh nhân hen.

Xenon được sử dụng như một chất gây mê do khả năng hòa tan trong lipid cao, và được cho là chất gây mê của tương lai. Xenon cũng được sử dụng trong hình ảnh y tế phổi.

Radon, một loại khí quý phóng xạ, được sử dụng trong xạ trị đối với một số loại ung thư.

Khác

Argon được sử dụng trong quá trình tổng hợp các hợp chất thay thế nitơ trong môi trường trơ. Heli được sử dụng làm khí mang trong sắc ký khí, cũng như trong máy đếm Geiger để đo bức xạ.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 06 tháng 6 năm 2019). Thuộc tính, Công dụng và Nguồn của Noble Gases. Phục hồi từ: thinkco.com
4. Wikipedia. (2019). Khí hiếm. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
5. Philip Ball. (2012, ngày 18 tháng 1). Không thể hóa học: Buộc các khí quý hoạt động. Phục hồi từ: newscientist.com
6. Giáo sư Patricia Shapley. (2011). Hóa Khí Cao Quý. Được khôi phục từ: butane.chem.uiuc.edu
7. Gary J. Schrobilgen. (Ngày 28 tháng 2 năm 2019). Khí hiếm. Encyclopædia Britannica. Phục hồi từ: britannica.com