Hóa học khí hiếm

Từng được cho là hoàn toàn trơ, các khí hiếm—trên hết là xenon—tạo thành một nền hóa học thực sự của các fluoride, oxide và các hợp chất liên quan, lật đổ giả định rằng một lớp vỏ electron đầy đủ sẽ ngăn cản phản ứng.

Definition

Hóa học khí hiếm là nghiên cứu về các hợp chất được hình thành bởi các nguyên tố nhóm 18, chủ yếu là các fluoride nhị phân và oxofluoride của xenon, và về liên kết cho phép các nguyên tử có lớp vỏ electron kín này kết hợp với các đối tác có độ âm điện cao.

Scope

Chủ đề này bao gồm hóa học của nhóm 18: sự khám phá và tính trơ của các khí hiếm, các điều kiện mà các thành viên nặng hơn phản ứng, cấu trúc và liên kết của các fluoride, oxide và oxofluoride của xenon, ứng dụng của VSEPR cho các phân tử này, và hóa học hạn chế hơn của krypton và radon. Nó đề cập đến liên kết và khả năng phản ứng của các hợp chất khí hiếm hơn là quang phổ được sử dụng để khám phá các nguyên tố.

Core questions

• Tại sao các khí hiếm từ lâu được coi là trơ về mặt hóa học?
• Những điều kiện nào cho phép xenon và krypton tạo thành hợp chất?
• Cấu trúc và liên kết của các fluoride và oxide của xenon là gì?
• Tại sao khả năng phản ứng tăng từ heli đến radon?

Key concepts

• Tính trơ và năng lượng ion hóa
• Các fluoride của xenon
• Các oxide và oxofluoride của xenon
• Hình học VSEPR của các hợp chất khí hiếm
• Liên kết ba tâm bốn electron
• Hóa học của krypton và radon

Key theories

Khả năng phản ứng của các khí hiếm nặng hơn

Các khí hiếm nặng hơn có năng lượng ion hóa tương đối thấp và các đám mây electron lớn, dễ phân cực, do đó các chất oxy hóa đủ mạnh như flo và platin hexafluoride có thể oxy hóa xenon để tạo thành các hợp chất bền.

Cấu trúc và liên kết của các fluoride của xenon

Các hợp chất như XeF2, XeF4 và XeF6 có hình học được dự đoán bởi VSEPR từ các cặp electron không liên kết trên xenon, với liên kết có thể được mô tả bằng các mô hình ba tâm bốn electron hoặc obitan phân tử mà không cần viện dẫn sự tham gia của obitan d.

Các oxide và oxofluoride

Sự thủy phân và phản ứng tiếp theo của các fluoride tạo ra các oxide và oxofluoride của xenon như XeO3 và XeOF4, các chất oxy hóa mạnh mà sự tồn tại của chúng càng chứng tỏ một nền hóa học khí hiếm thực sự và đa dạng.

Clinical relevance

Ngoài sự quan tâm cơ bản của chúng, các khí hiếm được sử dụng làm môi trường trơ, môi trường chiếu sáng và laser, chất làm lạnh và thuốc gây mê, trong khi các fluoride khí hiếm đóng vai trò là thuốc fluor hóa và oxy hóa mạnh.

History

Các khí hiếm được Ramsay và các đồng nghiệp khám phá vào cuối thế kỷ XIX và trong một thời gian dài được cho là hoàn toàn không phản ứng. Việc Bartlett điều chế hợp chất xenon–platinum fluoride vào năm 1962 đã phá vỡ niềm tin này và khởi đầu nền hóa học có hệ thống của các khí hiếm, đặc biệt là các fluoride và oxide của xenon.

Key figures

• William Ramsay
• Neil Bartlett
• Linus Pauling

Seminal works

• bartlett1962
• greenwood1997
• weller2018

Frequently asked questions

Nếu các khí hiếm có lớp vỏ electron đầy đủ, làm thế nào chúng có thể phản ứng được?

Một lớp vỏ electron đầy đủ khiến phản ứng trở nên khó khăn nhưng không phải là không thể; các khí hiếm nặng hơn giữ các electron ngoài cùng của chúng tương đối lỏng lẻo, do đó các chất oxy hóa cực mạnh như flo và platin hexafluoride có thể loại bỏ hoặc chia sẻ các electron đó và tạo thành các liên kết hóa học thực sự.

Tại sao xenon phản ứng mạnh hơn nhiều so với heli hoặc neon?

Năng lượng ion hóa giảm xuống trong nhóm 18 khi các electron hóa trị nằm xa hạt nhân hơn, do đó các electron của xenon dễ tham gia phản ứng hơn nhiều so với heli hoặc neon, đó là lý do tại sao một nền hóa học ổn định chủ yếu tồn tại đối với xenon và, ở mức độ thấp hơn, krypton và radon.