Инертные газы 2(б)

         Е.Дорн открыл радон раньше  В.Рамзая и Ф.Содди, тем не менее имена последних помещены в список первооткрывателей элемента №86 заслуженно. Именно  В.Рамзай  первым  исследовал свой нитон как химический  элемент, выяснил характерные для него спектральные линии, определил атомную массу, объяснил химическую индифферентность и нашел место для этого элемента  в периодической  системе.

          А хронологически первой из  этих работ была работа  Э.Резерфорда и Р.Оуэнса, проведенная в Канаде.

      В 1903 году Д.И.Менделеев поместил группу инертных газов в левой части  периодической таблицы элементов под нулевым номером. Этим номером подчеркивалась безвалентность или, как он писал  «нульвалентность» ее элементов.

      Через 15- 20 лет, когда утвердились представления об электронных структурах атомов и закладывались основы современной теории химической связи, было признано необходимым  перенести нулевую  группу в правую часть таблицы, поскольку у атомов инертных газов не начинается, а заканчивается построение электронной оболочки, присущей элементам каждого периода. В настоящее время общепризнанным является нахождение инертных газов в восьмой группе в качестве главной подгруппы. При этом соблюдается формальное правило: номер группы равен числу внешних электронов или равен максимальной валентности элементов побочных  подгрупп.

      В пользу  размещения инертных газов в V111 группе свидетельствует изучение свойств соединений  ксенона и криптона. Они близки к соединениям элементов побочной подгруппы.

      Главную и побочную подгруппы сближает и то, что платина и ее аналоги в той или иной мере проявляют химическую инертность - недаром их причисляют к благородным металлам.  Значительная химическая инертность  обнаруживается также у железа, никеля и  кобальта   в сверхчистом виде.                            

             НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ.      

          Было бы правильным назвать  инертные газы рассеянными, так  как природа разбросала их  по атмосфере, литосфере и гидросфере. В  относительно концентрированном   виде присутствуют лишь аргон в воздухе да еще гелий в газах земной коры.

       Содержание инертных газов в  пробах воздуха, взятых в самых  различных местах Земли почти  постоянно. Это постоянство распространяется  не только на различные области   земного шара, но и по высоте, по меньшей мере, на 60 км. Причина этого в энергичном перемещении воздуха восходящими и нисходящими потоками. Содержание инертных газов в воздухе составляет: 

	Не	Ne	Ar	Kr	Xe	Rn
Объемные %	0,00052	0,00182	0,934	0,00011	0,0000087	6×1 0 -20
Весовые %	0,00007	0,00127	1,288	0,00033	0,000039	7×10 -19
На 1см2 земной поверхности, г.	0,00069	0,013	12,9	0,0029	0,00037	-------
Содержание  в  атмосфере, т.	4,5×109	7,1×1011	6,7×1013	2×1010	1×109	3,5×10-3

                Однако на высоте свыше 70 км происходит изменение состава атмосферы. Например, содержание  аргона на высоте  80 км составляет  0,8 - 0,89%, а на высоте 95 км –  0,76 - 0,79 объемных %.

                     Под действием земного тяготения  происходит  диффузионное разделение  атмосферы на тяжелые газы в нижних слоях и легкие – в верхних. На высоте  600 км  гелий становится  преобладающим  компонентом атмосферы. На высоте 1000 км в  1 см³ атмосферы содержится  около миллиона атомов  гелия. Гелиевый пояс простирается до высоты 1500—2000 км. Над гелиевым слоем  располагается  водородная корона, переходящая  в межпланетную среду, а под ним - ионосфера, состоящая, главным образом из кислорода, расщепленного на атомы и ионизированного космическими лучами и  солнечным ультрафиолетовым излучением. Было выяснено,  что гелий  медленно улетучивается из атмосферы в космическое пространство (диссипация), особенно гелий-3. Утечка происходит только в самых верхних слоях атмосферы, где высокие температуры.

                      Медленно улетучивается  и  неон, но  заметного значения для   баланса земного неона  это  не имеет. Остальные газы  достаточно  тяжелы, чтобы выходить из нижних  слоев атмосферы.

                        В земной коре инертные газы  встречаются  повсеместно, но их  распределение в литосфере не так равномерно, как в  атмосфере. В отдельных местах концентрации разнятся  между собой на несколько порядков. Отсюда они   мигрируют  в окружающие породы, атмосферу, гидросферу.

                    В растворенном виде инертные газы  присутствуют  в воде  океанов, озер,  рек.  Причем, в пресной воде  растворено их больше, чем в морской, из-за лучшей их растворимости в пресной воде. В целом гидросфера  беднее земной атмосферы по содержанию инертных газов. В свою очередь земная кора  уступает  атмосфере по абсолютному  содержанию  инертных газов, кроме гелия. В литосфере они менее  концентрированны, чем в атмосфере, за исключением  радона.

                    Откуда  инертные  газы в атмосфере?  Присутствующие  в атмосфере инертные газы в какой-то мере являются первичными, (реликтовыми), миллиарды  лет назад захваченными уплотнявшейся космической  пылью, из которой образовалась  Земля. Это в первую очередь относится к неону и криптону, меньше к ксенону и еще меньше к аргону. Со временем в атмосферу  поступали  и вторичные  инертные газы.

                   Например, современный атмосферный  гелий, почти весь состоит  из тяжелого изопопа ⁴₂Не. Он является продуктом альфа - распада тяжелых радиоактивных элементов Земли. Три  цепочки a- и b-превращений, отвечающие трем  естественным семействам  радиоактивных элементов, являются основными источниками гелия на Земле. Это  семейства урана –238, тория-232 и урана-235. Но способность к спонтанному делению у урана-235  в 23 ниже, чем у урана-238. Периоды полураспада этих долгоживущих изотопов соизмеримы с возрастом Земли. Для первого период полураспада равен 4,5 млрд. лет, для второго – 13,89 млрд. лет,  а для третьего - 13 млн. лет. Каждая из цепочек распада завершается образованием  стабильного изотопа свинца:

                         ²³⁸₉₂U ®8 ⁴₂ He + ²⁰⁶ ₈₂Pb

                         ²³⁵₉₂ U  ®7 ₂ ⁴He+ ²⁰⁷₈₂ Pb

                        ²³² ₉₀Th®6  ⁴₂ He + ²⁰⁸₈₂ Pb

            Гелий медленно образуется на Земле. 1 т гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет производит  0,51 см ³ гелия. И из этих крохотных пузырьков ежегодно накапливается  в толщах Земли около 35 млн. м ³ газа. В среднем 1 кг земного вещества содержит 0,003 мг гелия. Таким образом, запас гелия в литосфере в 100 тысяч раз больше, чем в атмосфере. Естественный альфа-распад обнаружен у 29 изотопов земных  элементов, но все остальные 26 изотопов дают гелия-4 намного меньше, чем уран и торий.

            А содержание гелия–3 в минералах в десятки миллионов раз меньше, чем гелия-4. Его присутствие в породах и атмосфере объясняют наличием реликтового гелия-3 и как результат бомбардировки лития нейтронами, образующимися в земной толще при спонтанном делении урана и тория, а также при действии  альфа-частиц на легкие элементы.

Легкий  гелий–3 - продукт радиоактивного распада сверхтяжелого  водорода- трития, образующегося в ряде ядерных реакций в земной коре и верхних слоях атмосферы. В атмосфере тритий возникает  при действии на азот  нейтронов космического излучения:

                                     ₇ ¹⁴ N +₀¹n  ®₁³T+  ¹²₆C

Тритий  довольно быстро (период полураспада его-12.46  лет) распадается с образованием  легкого гелия, электронов, нейтрино:

                                            ³₁ Тà₂³ He  + _-1 ⁰b+⁰₀ n

              А  какие  ядерные  процессы  привели  к   образованию   неона? Кроме реликтового неона, вероятно, есть и вторичный неон. В литосфере в изверженных породах содержится около 10 ⁹ тонн неона. Оттуда по мере разрушения пород неон уходит в атмосферу, где сосредоточена основная  масса неона. Некоторые радиоактивные минералы выделяют неон, который содержит  ²¹ Ne  и ²² Ne в десятки и сотни раз больше, чем неон воздуха. Значит, тяжелые изотопы неона образуются за счет  ядерных превращений в земной коре. Например:

                                    ₉¹⁰ F+  ⁴₂ Heà^{2 2} ₁₀Ne +   ¹₁H

                                   ¹⁸ ₈O + ⁴₂ He -ಹ ₁₀Ne +  ¹ ₀n

             В атмосфере  неон  присутствует в виде трех стабильных изотопов: неон-20, неон-21 и неон-22. Наибольшее количество  (90,92 %) приходится на долю легкого изотопа неон-20, чуть  больше четверти  процента – на долю неона-21 и около 9% - на долю неона-22. И, вероятнее всего, неон-20 реликтовый. Подсчеты показывают, что в течение  4,5 - 5,0 млрд. лет за счет ядерных реакций могло накопиться  не более трех процентов присутствующих на планете неона-21 и неона-22. К тому же  основная масса неона сосредоточена в атмосфере, а на долю литосферы приходится лишь несколько процентов.

             Почти весь тяжелый аргон (аргон-40) возник на Земле в результате  радиоактивного распада изотопа калия-40:

                                    ⁴⁰₁₉K  +⁰_-b®⁴⁰₁₈ Ar +⁰ ₀g  +⁰₀n

               При  этой реакции ядро атома  калия  захватывает электрон с орбиты. И он взаимодействует  с протоном, образуя новый нейтрон в ядре при одновременном  излучении нейтрино. В результате образуется аргон, имеющий  заряд ядра  на единицу меньше, чем у калия. Период полураспада  калия-40 равен 1,3 млрд. лет, поэтому процесс  продолжается и сейчас. Одна тонна калия, содержащаяся  в горных породах или водах, в течение года образуют  3100 атомов аргона. Если принять среднее содержание калия в литосфере 0,08%, то аргона на Земле образуется 

20 млн.  м ³ в год. В каждом литре морской  воды растворено 0,3 см ³ аргона. Содержание   аргона  в мировом океане  оценивается  7,525 × 10 ¹¹ тонн, а в изверженных породах литосферы -16,51 ×10 ¹¹ тонн