Шпаргалка по свойствам и соединениям благородных газов: электронные конфигурации, физические и химические свойства, реакционная способность. Фториды и оксиды ксенона (XeF2, XeF4, XeF6, XeO3, XeO4), клатраты, геометрия молекул VSEPR, уравнения реакций гидролиза и синтеза.
1. Общая характеристика элементов VIIIА (18) группы
Элементы: гелий ($\text{He}$), неон ($\text{Ne}$), аргон ($\text{Ar}$), криптон ($\text{Kr}$), ксенон ($\text{Xe}$), радон ($\text{Rn}$), оганесон ($\text{Og}$).
- Электронная конфигурация: $ns^2 np^6$ (для $\text{He}$: $1s^2$). Завершенный внешний электронный слой обуславливает высокую химическую инертность.
- Атомный радиус: увеличивается от $\text{He}$ к $\text{Rn}$.
- Энергия ионизации: закономерно уменьшается от $\text{He}$ ($2372\text{ кДж/моль}$) к $\text{Rn}$ ($1037\text{ кДж/моль}$).
- Температуры кипения и плавления: возрастают с увеличением молярной массы из-за усиления межмолекулярных дисперсионных сил Ван-дер-Ваальса.
2. Клатраты (Соединения включения)
Благородные газы ($\text{Ar}$, $\text{Kr}$, $\text{Xe}$) образуют соединения включения без образования химических связей с молекулами хозяина (например, с водой или гидрохиноном):
$$\text{Xe} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Xe} \cdot 6\text{H}_2\text{O}$$
$$\text{Ar} + 3\text{C}_6\text{H}_4(\text{OH})_2 \rightarrow \text{Ar} \cdot 3\text{C}_6\text{H}_4(\text{OH})_2$$
3. Химические соединения Ксенона ($\text{Xe}$)
3.1. Синтез фторидов ксенона
Реакции протекают при нагревании смеси $\text{Xe}$ и $\text{F}_2$ под давлением или под действием УФ-излучения:
- Дифторид ксенона ($\text{XeF}_2$):
$$\text{Xe} + \text{F}_2 \xrightarrow{400^\circ\text{C}, \text{избыток Xe}} \text{XeF}_2$$
- Тетрафторид ксенона ($\text{XeF}_4$):
$$\text{Xe} + 2\text{F}_2 \xrightarrow{400^\circ\text{C}, 6\text{ атм, 1:5}} \text{XeF}_4$$
- Гексафторид ксенона ($\text{XeF}_6$):
$$\text{Xe} + 3\text{F}_2 \xrightarrow{300^\circ\text{C}, 60\text{ атм, 1:20}} \text{XeF}_6$$
3.2. Гидролиз фторидов ксенона
- Гидролиз $\text{XeF}_2$ (медленный, окислительно-восстановительный):
$$2\text{XeF}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Xe}\uparrow + 4\text{HF} + \text{O}_2\uparrow$$
- Гидролиз $\text{XeF}_4$ (диспропорционирование):
$$6\text{XeF}_4 + 12\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{XeO}_3 + 4\text{Xe}\uparrow + 3\text{O}_2\uparrow + 24\text{HF}$$
- Полный гидролиз $\text{XeF}_6$ (без изменения степени окисления):
$$\text{XeF}_6 + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{XeO}_3 + 6\text{HF}$$
- Частичный гидролиз $\text{XeF}_6$:
$$\text{XeF}_6 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{XeOF}_4 + 2\text{HF}$$
$$\text{XeF}_6 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{XeO}_2\text{F}_2 + 4\text{HF}$$
3.3. Реакции фторидов как фторирующих агентов и доноров/акцепторов фторид-ионов
- Взаимодействие $\text{XeF}_2$ с сильными кислотами Льюиса (акцепторы $\text{F}^-$):
$$\text{XeF}_2 + \text{PF}_5 \rightarrow [\text{XeF}]^+[\text{PF}_6]^-$$
$$\text{XeF}_2 + 2\text{SbF}_5 \rightarrow [\text{XeF}]^+[\text{Sb}_2\text{F}_{11}]^-$$
- Взаимодействие $\text{XeF}_6$ с фторидами щелочных металлов (доноры $\text{F}^-$):
$$\text{XeF}_6 + \text{MF} \rightarrow \text{M}^+[\text{XeF}_7]^- \quad (\text{M} = \text{Rb}, \text{Cs})$$
- Окислительные свойства $\text{XeF}_2$:
$$\text{XeF}_2 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{Xe}\uparrow + 2\text{HF} + \text{Cl}_2\uparrow$$
3.4. Оксиды и соли ксенона
- Триоксид ксенона ($\text{XeO}_3$): бесцветное взрывчатое кристаллическое вещество, сильный окислитель.
Образование ксенатов в щелочной среде:
$$\text{XeO}_3 + \text{OH}^- \rightarrow \text{HXeO}_4^-$$
- Диспропорционирование ксенатов (получение перксенатов):
$$2\text{HXeO}_4^- + 2\text{OH}^- \rightarrow \text{XeO}_6^{4-} + \text{Xe}\uparrow + \text{O}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$$
- Тетраоксид ксенона ($\text{XeO}_4$): получается при действии концентрированной серной кислоты на перксенаты:
$$\text{Ba}_2\text{XeO}_6 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{XeO}_4\uparrow + 2\text{BaSO}_4\downarrow + 2\text{H}_2\text{O}$$
4. Геометрия молекул соединений Ксенона (по теории VSEPR)
| Молекула / Ион | Степень окисления $\text{Xe}$ | Гибридизация | Неподеленные пары | Геометрическая форма |
|---|---|---|---|---|
| $\text{XeF}_2$ | $+2$ | $sp^3d$ | 3 | Линейная |
| $\text{XeF}_4$ | $+4$ | $sp^3d^2$ | 2 | Квадратно-плоская |
| $\text{XeF}_6$ | $+6$ | $sp^3d^3$ | 1 | Искаженный октаэдр |
| $\text{XeO}_3$ | $+6$ | $sp^3$ | 1 | Тригональная пирамида |
| $\text{XeOF}_4$ | $+6$ | $sp^3d^2$ | 1 | Квадратная пирамида |
| $\text{XeO}_4$ | $+8$ | $sp^3$ | 0 | Тетраэдр |
| $\text{XeO}_6^{4-}$ | $+8$ | $sp^3d^2$ | 0 | Правильный октаэдр |
5. Соединения других благородных газов
- Дифторид криптона ($\text{KrF}_2$): получение при низких температурах под действием электрического разряда:
$$\text{Kr} + \text{F}_2 \xrightarrow{-196^\circ\text{C}, \text{тлеющий разряд}} \text{KrF}_2$$
Чрезвычайно сильный окислитель и фторирующий агент (окисляет золото до $\text{Au(V)}$):
$$7\text{KrF}_2 + 2\text{Au} \rightarrow 2[\text{KrF}]^+[\text{AuF}_6]^- + 5\text{Kr}$$
- Фторид радона: $\text{RnF}_2$ образуется спонтанно при контакте $\text{Rn}$ с $\text{F}_2$ из-за радиоактивного излучения радона.
- Гидрофторид аргона ($\text{HArF}$): устойчив только при температурах ниже $-246^\circ\text{C}$ ($27\text{ K}$).