Ädelgasförening
Inom kemin är ädelgasföreningar kemiska föreningar som innehåller ett grundämne från ädelgaserna , grupp 18 i det periodiska systemet . Även om ädelgaserna i allmänhet är oreaktiva beståndsdelar, har många sådana föreningar observerats, särskilt involverande elementet xenon .
Ur kemisynpunkt kan ädelgaserna delas in i två grupper: [ citat behövs ] det relativt reaktiva kryptonet ( joniseringsenergi 14,0 eV ), xenon (12,1 eV) och radon (10,7 eV) på ena sidan, och själva oreaktivt argon (15,8 eV), neon (21,6 eV) och helium (24,6 eV) på den andra. I överensstämmelse med denna klassificering bildar Kr, Xe och Rn föreningar som kan isoleras i bulk vid eller nära standardtemperatur och tryck , medan He, Ne, Ar har observerats bilda verkliga kemiska bindningar med hjälp av spektroskopiska tekniker, men endast när de fryses in i en ädelgasmatris vid temperaturer på 40 K eller lägre, i överljudsstrålar av ädelgas eller under extremt höga tryck med metaller.
De tyngre ädelgaserna har fler elektronskal än de lättare. Därför utsätts de yttersta elektronerna för en skärmningseffekt från de inre elektronerna som gör dem lättare att joniseras , eftersom de är mindre starkt attraherade av den positivt laddade kärnan . Detta resulterar i en joniseringsenergi som är tillräckligt låg för att bilda stabila föreningar med de mest elektronegativa elementen , fluor och syre , och även med mindre elektronegativa element som kväve och kol under vissa omständigheter.
Historia och bakgrund
När familjen av ädelgaser först identifierades i slutet av artonhundratalet, observerades ingen av dem bilda några föreningar och man trodde till en början att de alla var inerta gaser (som de då kallades) som inte kunde bilda föreningar. Med utvecklingen av atomteorin i början av nittonhundratalet, tillskrevs deras tröghet till ett fullt valensskal av elektroner som gör dem mycket kemiskt stabila och icke-reaktiva. Alla ädelgaser har fullständiga s och p yttre elektronskal (förutom helium , som inte har någon p- subnivå), och bildar därför inte lätt kemiska föreningar . Deras höga joniseringsenergi och nästan noll elektronaffinitet förklarar deras icke-reaktivitet.
1933 förutspådde Linus Pauling att de tyngre ädelgaserna skulle kunna bilda föreningar med fluor och syre . Specifikt förutspådde han förekomsten av kryptonhexafluorid ( Kr F 6 ) och xenon hexafluorid ( Xe F 6 ), spekulerade att XeF 8 kan existera som en instabil förening och föreslog att xensyra skulle bilda perxenatsalter . Dessa förutsägelser visade sig vara ganska korrekta, även om efterföljande förutsägelser för XeF 8 indikerade att den inte bara skulle vara termodynamiskt instabil utan kinetiskt instabil . Från och med 2022 XeF 8 inte gjorts, även om oktafluoroxenat(VI)-anjonen ( [XeF 8 ] 2− ) har observerats.
År 1960 hade ingen förening med en kovalent bunden ädelgasatom ännu syntetiserats. Den första publicerade rapporten, i juni 1962, om en ädelgasförening var av Neil Bartlett , som märkte att den starkt oxiderande föreningen platinahexafluorid joniserade O 2 till O + 2 . Eftersom joniseringsenergin för O 2 till O + 2 (1165 kJ mol −1 ) är nästan lika med joniseringsenergin för Xe till Xe + (1170 kJ mol −1 ), försökte han reaktionen av Xe med PtF 6 . Detta gav en kristallin produkt, xenonhexafluorplatinat Xe + [PtF6 ] - , vars formel föreslogs vara . Det visades senare att föreningen faktiskt är mer komplex och innehåller både [XeF] + [PtF 5 ] − och [XeF] + [Pt 2 F 11 ] − . Icke desto mindre var detta den första riktiga föreningen av någon ädelgas.
De första binära ädelgasföreningarna rapporterades senare 1962. Bartlett syntetiserade xenontetrafluorid ( XeF 4 ) genom att utsätta en blandning av xenon och fluor för hög temperatur. Rudolf Hoppe , bland andra grupper, syntetiserade xenondifluorid ( XeF 2 ) genom reaktionen av elementen.
Efter den första framgångsrika syntesen av xenonföreningar rapporterades syntes av kryptondifluorid ( KrF 2 ) 1963.
Äkta ädelgasföreningar
I det här avsnittet betraktas de icke-radioaktiva ädelgaserna i fallande ordning efter atomvikt , vilket i allmänhet återspeglar prioriteringen av deras upptäckt, och bredden av tillgänglig information för dessa föreningar. De radioaktiva grundämnena radon och oganesson är svårare att studera och beaktas i slutet av avsnittet.
Xenonföreningar
Efter de första studierna 1962 på XeF 4 och XeF 2 inkluderar xenonföreningar som har syntetiserats andra fluorider ( XeF 6 ), oxifluorider ( XeOF 2 , XeOF 4 , XeO 2 F 2 , XeO 3 F 2 , XeO 2 F 4 ) oxider ( XeO2 _ , XeO3 ) och XeO4 . Xenonfluorider reagerar med flera andra fluorider för att bilda fluoroxenater, såsom natriumoktafluoroxenat(VI) ( ( Na + ) 2 [XeF 8 ] 2− ), [ [XeF 3 ] [SbF 6 ] − citat behövs ] och fluoroxenoniumsalter, såsom trifluoroxenoniumhexafluorantimonat ( ).
När det gäller annan halidreaktivitet framställs kortlivade excimerer av ädelgashalider såsom XeCl2 i eller XeCl in situ och används funktionen av excimerlasrar . [ citat behövs ]
Nyligen, [ när? ] xenon har visats producera en mängd olika föreningar av typen XeO n X 2 där n är 1, 2 eller 3 och X är vilken elektronegativ grupp som helst, såsom CF 3 , C(SO 2 CF 3 ) 3 , 2 N( SO2F ) 2 , N , OTeF5 ; SO2CF3 ) ) ( , O ( IO2F2 _ _ etc _ utbudet av föreningar är imponerande, liknande det som ses med det närliggande grundämnet jod , går i tusental och involverar bindningar mellan xenon och syre, kväve, kol, bor och till och med guld, såväl som perxensyra, flera halogenider och komplexa joner . [ citat behövs ]
Föreningen [Xe 2 ] + [Sb 4 F 21 ] − innehåller en Xe–Xe-bindning, som är den längsta element-elementbindningen som är känd (308,71 pm = 3,0871 Å ). Kortlivade excimerer av Xe 2 rapporteras existera som en del av funktionen hos excimerlasrar . [ citat behövs ]
Kryptonföreningar
Kryptongas reagerar med fluorgas under extrema kraftförhållanden och bildar KrF 2 enligt följande ekvation:
- Kr + F 2 → KrF 2
KrF2 [ reagerar med starka Lewis-syror Kr2F3 ] + . och bildar salter av katjonerna [ KrF] + och Beredningen av KrF 4 som Grosse rapporterade 1963 med Claasenmetoden visade sig sedan vara en felaktig identifiering.
Kryptonföreningar med andra än Kr–F-bindningar (föreningar med andra atomer än fluor ) har också beskrivits. KrF 2 reagerar med B(OTeF 5 ) 3 för att producera den instabila föreningen, Kr(OTeF 5 ) 2 , med en krypton- syrebindning . En krypton- kvävebindning finns i katjonen [H−C≡N−Kr−F] + , producerad genom reaktionen av KrF 2 med [H−C≡N−H] + [AsF 6 ] − under −50 ° C.
Argonföreningar
Upptäckten av HArF tillkännagavs 2000. Föreningen kan existera i lågtemperaturargonmatriser för experimentella studier, och den har också studerats beräkningsmässigt . Argonhydridjon [ArH] + erhölls på 1970-talet. Denna molekylära jon har också identifierats i krabbnebulosan, baserat på frekvensen av dess ljusemissioner.
Det finns en möjlighet att ett fast salt av [ArF] + skulle kunna framställas med [SbF 6 ] - eller [AuF6] - anjoner.
Neon- och heliumföreningar
Jonerna Ne + , [NeAr] + , [NeH] + och [HeNe] + är kända från optiska och masspektrometriska studier. Neon bildar också ett instabilt hydrat. Det finns några empiriska och teoretiska bevis för ett fåtal metastabila heliumföreningar som kan existera vid mycket låga temperaturer eller extrema tryck. Den stabila katjonen [HeH] + rapporterades 1925, men ansågs inte vara en sann förening eftersom den inte är neutral och inte kan isoleras. År 2016 skapade forskare heliumföreningen dinatriumhelid ( Na 2 He ) som var den första heliumföreningen som upptäcktes.
Radon- och oganessonföreningar
Radon är inte kemiskt inert, men dess korta halveringstid (3,8 dagar för 222 Rn) och den höga energin i dess radioaktivitet gör det svårt att undersöka dess enda fluorid ( RnF 2 ), dess rapporterade oxid ( RnO 3 ) och deras reaktion Produkter.
Alla kända oganesson -isotoper har ännu kortare halveringstider i millisekundsintervallet och inga föreningar är kända ännu, även om vissa har förutspåtts teoretiskt. Det förväntas vara ännu mer reaktivt än radon, mer likt ett vanligt grundämne än en ädelgas i sin kemi.
Rapporter före xenonhexafluorplatinat och xenontetrafluorid
Clathrates
Före 1962 var de enda isolerade föreningarna av ädelgaser klatrater (inklusive klatrathydrater ) ; andra föreningar såsom koordinationsföreningar observerades endast med spektroskopiska medel. Klatrater (även kända som burföreningar) är föreningar av ädelgaser där de är fångade i håligheter i kristallgitter av vissa organiska och oorganiska ämnen. Det väsentliga villkoret för deras bildning är att gästatomerna (ädelgas) ska vara av lämplig storlek för att passa in i hålrummen i värdkristallgittret; till exempel kan Ar, Kr och Xe bilda klatrater med kristallin β-kinol, men He och Ne kan inte passa eftersom de är för små. och av . Xe kan också visas som gäster i kristaller melanophlogite [ citat behövs ]
Helium-kväve ( He(N 2 ) 11 ) kristaller har odlats vid rumstemperatur vid tryck ca. 10 GPa i en diamantstädcell . Fast argon-väteklatrat ( Ar(H 2 ) 2 ) har samma kristallstruktur som MgZn 2 Laves-fasen . Det bildas vid tryck mellan 4,3 och 220 GPa, även om Raman-mätningar tyder på att H2 - molekylerna i Ar(H2 ) 2 dissocierar över 175 GPa. En liknande Kr(H2 ) 4 fast form bildas vid tryck över 5 GPa. Den har en ansiktscentrerad kubisk struktur där kryptonoktaedrar är omgivna av slumpmässigt orienterade vätemolekyler. Xe(H2 ) dimerer inuti 8 xenonatomer i fast fast väte .
Koordinationsföreningar
Koordinationsföreningar som Ar·BF 3 har antagits existera vid låga temperaturer, men har aldrig bekräftats. [ citat behövs ] Även föreningar som WHe 2 och HgHe 2 rapporterades ha bildats genom elektronbombardement, men nyare forskning har visat att dessa förmodligen är resultatet av att He har adsorberats på ytan av metallen; därför kan dessa föreningar inte riktigt betraktas som kemiska föreningar. [ citat behövs ]
Återfuktar
Hydrater bildas genom att komprimera ädelgaser i vatten, där man tror att vattenmolekylen, en stark dipol, inducerar en svag dipol i ädelgasatomerna, vilket resulterar i dipol-dipol-interaktion. Tyngre atomer påverkas mer än mindre, därför rapporterades Xe·5.75H 2 O ha varit det mest stabila hydratet; den har en smältpunkt på 24 °C. Den deutererade versionen av detta hydrat har också producerats.
Fulleren addukter
Ädelgaser kan också bilda endoedriska fullerenföreningar där ädelgasatomen är fångad inuti en fullerenmolekyl . 1993 upptäcktes att när C 60 utsätts för ett tryck på runt 3 bar He eller Ne, bildas komplexen He@C 60 och Ne@C 60 . Under dessa förhållanden var endast ungefär en av 650 000 C 60 -burar dopad med en heliumatom ; med högre tryck (3000 bar) är det möjligt att uppnå ett utbyte på upp till 0,1 %. Endoedriska komplex med argon , krypton och xenon har också erhållits, såväl som ett flertal addukter av He@ C60 .
Ansökningar
De flesta tillämpningar av ädelgasföreningar är antingen som oxidationsmedel eller som ett sätt att lagra ädelgaser i tät form. Xensyra är ett värdefullt oxidationsmedel eftersom det inte har någon potential att införa föroreningar – xenon frigörs helt enkelt som en gas – och konkurreras därför bara med ozon i detta avseende. Perxenaten är ännu mer kraftfulla oxidationsmedel . [ Citat behövs ] Xenonbaserade oxidanter har också använts för att syntetisera karbokater stabila vid rumstemperatur, i SO 2 ClF -lösning. [ icke-primär källa behövs ]
Stabila salter av xenon som innehåller mycket höga andelar fluor i vikt (såsom tetrafluorammoniumheptafluoroxenat (VI), [NF 4 ][XeF 7 ] , och det besläktade tetrafluorammoniumoktafluoroxenat(VI) [NF 4 ] 2 [XeF 8 ] ), har utvecklats som högenergiska oxidationsmedel för användning som drivmedel i raketer. [ icke-primär källa behövs ] [ icke-primär källa behövs ]
Xenonfluorider är bra fluoreringsmedel.
Klatrater har använts för att separera He och Ne från Ar, Kr och Xe, och även för transport av Ar, Kr och Xe. [ Citat behövs ] (Till exempel är radioaktiva isotoper av krypton och xenon svåra att lagra och kassera, och föreningar av dessa grundämnen kan hanteras lättare än gasformerna.) Dessutom kan klatrater av radioisotoper tillhandahålla lämpliga formuleringar för experiment som kräver källor för särskilda typer av strålning; därav. 85 Kr klatrat ger en säker källa till beta partiklar , medan 133 Xe klatrat är en användbar källa till gammastrålar .
Resurser
- Chriachtchev, Leonid; Räsänen, Markku; Gerber, R. Benny (2009). "Ädelgashydrider: Ny kemi vid låga temperaturer". Redovisningar för kemisk forskning . 42 (1): 183–91. doi : 10.1021/ar800110q . PMID 18720951 .