Wikipedie

Sloučeniny vzácných plynů

Sloučeniny vzácných plynů jsou chemické sloučeniny, které obsahují prvek ze skupiny vzácných plynů, tj. 18. skupina periodické tabulky. Přestože vzácné plyny jsou obecně nereaktivní prvky, bylo pozorováno mnoho sloučenin, zejména s xenonem. Z hlediska chemie lze vzácné plyny rozdělit do dvou skupin: na jedné straně relativně reaktivní krypton (ionizační energie 14,0 eV), xenon (12,1 eV) a radon (10,7 eV) a na druhé straně velmi nereaktivní argon (15,8 eV), neon (21,6 eV) a helium (24,6 eV). V souladu s touto klasifikací tvoří krypton, xenon a radon sloučeniny, které lze izolovat při standardní teplotě a tlaku nebo při teplotách blízkým standardním (v zásadě alespoň u vysoce radioaktivního radonu), zatímco u argonu, neonu a helia bylo spektroskopickými technikami pozorováno, že tvoří skutečné chemické vazby, ale pouze při zmrazení do matrice vzácného plynu při teplotách 40 K nebo nižších, v nadzvukových proudech vzácného plynu nebo za extrémně vysokých tlaků s kovy.

Těžší vzácné plyny mají více elektronových obalů než lehčí vzácné plyny. Vnější elektrony proto podléhají stínícímu efektu vnitřních elektronů, což usnadňuje jejich ionizaci, protože jsou méně silně přitahovány ke kladně nabitému jádru. To má za následek dostatečně nízkou ionizační energii, která umožňuje tvorbu stabilních sloučenin s vysoce elektronegativními prvky, fluorem a kyslíkem, a za určitých okolností dokonce i s méně elektronegativními prvky, jako je dusík a uhlík.[1][2]

Historie a pozadí editovat

Když byla na konci 19. století poprvé identifikována skupina vzácných plynů, nebylo u žádného z nich pozorováno, že by tvořil sloučeniny, a zpočátku se mělo za to, že jde o inertní plyny (jak se jim tehdy říkalo), které nemohou tvořit sloučeniny. S rozvojem atomové teorie na počátku 20. století byla jejich inertnost přisuzována plné valenční vrstvě, díky čemuž jsou chemicky velmi stabilní a nereaktivní. Jejich vysoká ionizační energie a téměř nulová elektronová afinita vysvětlují jejich nereaktivnost.

V roce 1933 Linus Pauling předpověděl, že těžší vzácné plyny budou schopny tvořit sloučeniny s fluorem a kyslíkem. Konkrétně předpověděl existenci fluoridu kryptonového (KrF6) a fluoridu xenonového (XeF6), a vyslovil domněnku, že fluorid xenoničelý (XeF8) by mohl existovat jako nestabilní sloučenina. [3][4] Tyto předpovědi se ukázaly jako poměrně přesné, i když následné předpovědi pro XeF8 naznačovaly, že bude nejen termodynamicky, ale i kineticky nestabilní.[5]

Do roku 1960 nebyla syntetizována žádná sloučenina s kovalentně vázaným atomem vzácného plynu.[6] První zprávu o sloučenině vzácného plynu podal v červnu 1962 Neil Bartlett, který si všiml, že vysoce oxidující sloučenina fluorid platinový (PtF6) ionizuje O2 na O +
2 . Protože ionizační energie O2 na O +
2  (1165 kJ·mol−1) je téměř stejná jako ionizační energie Xe na Xe+ (1170 kJ·mol−1), vyzkoušel reakci xenonu s fluoridem platinovým. Vznikl krystalický produkt, hexafluoroplatičnan xenonný, jehož vzorec byl navržen jako Xe+[PtF6]−.[4][7] Později se ukázalo, že sloučenina je ve skutečnosti složitější a obsahuje jak XeFPtF5, tak XeFPt2F11.[8] Přesto se jednalo o první skutečnou sloučeninu jakéhokoli vzácného plynu.

První binární sloučeniny vzácných plynů byly ohlášeny později v roce 1962. Bartlett syntetizoval fluorid xenoničitý (XeF4) působením vysoké teploty na směs xenonu a fluoru.[9] Rudolf Hoppe mimo jiné syntetizoval fluorid xenonatý.[10]

Po první úspěšné syntéze sloučenin xenonu byla v roce 1963 oznámena syntéza fluoridu kryptonatého (KrF2).[11]

Pravé sloučeniny vzácných plynů editovat

V této části jsou neradioaktivní vzácné plyny posuzovány v sestupném pořadí podle relativní atomové hmotnosti, což obecně odráží prioritu jejich objevu a rozsah dostupných informací o těchto sloučeninách. Radioaktivní prvky radon a oganesson se studují obtížněji a jsou na konci této části.

Sloučeniny xenonu editovat

Související informace naleznete také v článku Xenon#Sloučeniny.

Po počátečních studiích XeF4 a XeF2 z roku 1962 byly syntetizovány další sloučeniny xenonu, jako jsou fluoridy (XeF6), oxyfluoridy (XeOF2, XeOF4, XeO2F2, XeO3F2, XeO2F4) a oxidy (XeO2, XeO3 a XeO4).

Sloučenina Xe2+Sb4F21− obsahuje vazbu Xe–Xe, která je nejdelší známou vazbou prvek-prvek (308,71 pm = 3,0871 Å).[12]

Sloučeniny kryptonu editovat

Plynný krypton reaguje s fluorem za extrémních podmínek za vzniku KrF2:

Kr + F2 → KrF2

KrF2 reaguje se silnými Lewisovými kyselinami za vzniku solí KrF+ a Kr2F +
3 .[11] Příprava KrF4, kterou v roce 1963 oznámil Grosse Claasenovou metodou, se následně ukázala jako chybná.[13]

Byly popsány také sloučeniny kryptonu s jinými vazbami než Kr-F. KrF2 reaguje s B(OTeF5)3 za vzniku nestabilní sloučeniny Kr(OTeF5)2 s vazbou krypton-kyslík. Vazba krypton-dusík se nachází v kationu [HC≡N–Kr–F]+, který vzniká reakcí KrF2 s [HC≡NH]+[AsF−6] pod −50 °C.[14]

Sloučeniny argonu editovat

Objev HArF byl oznámen v roce 2000.[15][16] Sloučenina může existovat v nízkoteplotních argonových matricích pro experimentální studie a byla také studována výpočetně.[16] Hydridový ion argonu ArH+ byl získán v 70. letech 20. století.[17] Tento molekulární iont byl také identifikován v Krabí mlhovině na základě frekvence jeho světelných emisí.[18]

Existuje možnost, že by bylo možné připravit pevnou sůl ArF+ s anionty SbF−6 nebo AuF−6.[19][20]

Sloučeniny neonu a helia editovat

Související informace naleznete také v článku Helium#Sloučeniny.

Ionty Ne+, (NeAr)+, (NeH)+ a (HeNe+) jsou známy z optických a hmotnostně spektrometrických studií. Neon také tvoří nestabilní hydrát.[21] Existují empirické a teoretické důkazy o několika metastabilních sloučeninách helia, které mohou existovat při velmi nízkých teplotách nebo extrémních tlacích. Stabilní kation HeH+ byl popsán v roce 1925,[22] ale nebyl považován za skutečnou. V roce 2016 vědci vytvořili sloučeninu helia helid sodný (Na2He), která byla první objevenou sloučeninou helia.[23]

Sloučeniny radonu a oganessonu editovat

Související informace naleznete také v článku Radon#Základní_fyzikálně-chemické_vlastnosti.

Radon není chemicky inertní, ale jeho krátký poločas rozpadu (3,8 dne pro 222Rn) a vysoká energie jeho radioaktivity ztěžují zkoumání jeho jediného fluoridu (RnF2), jeho uváděného oxidu (RnO3) a jeho chemických produktů.[24]

Všechny známé izotopy oganessonu mají ještě kratší poločasy rozpadu v řádu milisekund a dosud nejsou známy žádné sloučeniny,[25] i když některé byly teoreticky předpovězeny. Očekává se, že bude ještě reaktivnější než radon, chemicky se bude podobat spíše normálnímu prvku než vzácnému plynu.[26]

Zprávy před vznikem hexafluoroplatičnanu xenonném a fluoridem xenoničitým editovat

 
Kr(H2)4 a H2 vytvořené v diamantové kovadlině. Pro měření tlaku byl přidán rubín.

Klatráty editovat

Před rokem 1962 byly jedinými izolovanými sloučeninami vzácných plynů klatráty (včetně klatrátových hydrátů); ostatní sloučeniny, jako např. komplexní sloučeniny, byly pozorovány pouze spektroskopicky.[4] Klatráty jsou sloučeniny vzácných plynů, v nichž jsou zachyceny v dutinách krystalových mřížek některých organických a anorganických látek. Základní podmínkou pro jejich vznik je, aby atomy vzácných plynů měly vhodnou velikost, aby se vešly do dutin hostitelské krystalové mřížky; například argon, krypton a xenon mohou tvořit klatráty s krystalickým β-chinolem, ale helium a neon se do něj nevejdou, protože jsou příliš malé. Stejně tak se krypton a xenon mohou objevit v krystalech melanoflogitu.

Hydráty editovat

Hydráty vznikají stlačením vzácných plynů ve vodě, přičemž se předpokládá, že molekula vody, silný dipól, indukuje slabý dipól v atomech vzácných plynů, což vede k dipól-dipólové interakci. Těžší atomy jsou ovlivňovány více než menší, a proto se uvádí, že nejstabilnějším hydrátem je Xe•5.75 H2O;[27] jeho teplota tání je 24 °C.[28] Byla připravena i deuterovaná verze tohoto hydrátu.[29]

Fullerenové adukty editovat

Vzácné plyny mohou také tvořit endoedrické fullerenové sloučeniny, kde je atom vzácného plynu uvězněn uvnitř molekuly fullerenu. V roce 1993 bylo zjištěno, že při vystavení C60 tlaku helia nebo neonu kolem 3 barů vznikají komplexy He@C60 a Ne@C60.[30] Byly také získány endoedrické komplexy s argonem, kryptonem a xenonem a četné adukty He@C60.[31]

Využití editovat

 
Struktura endohedrálního derivátu buckminsterfullerenu, obsahujícího atom vzácného plynu uvnitř klece

Většina sloučenin vzácných plynů se používá buď jako oxidační činidla, nebo jako prostředek k uchovávání vzácných plynů v husté formě. Kyselina xenonová je cenným oxidačním činidlem, protože nemá potenciál vnášet nečistoty - xenon se jednoduše uvolňuje jako plyn - a v tomto ohledu jí tedy konkuruje pouze ozon.[4] Oxidační činidla na bázi xenonu se také používají k syntéze karbokationů stabilních při pokojové teplotě, v SO2ClF.[32]

Stabilní soli xenonu obsahující velmi vysoký hmotnostní podíl fluoru (např. NF4XeF7 či (NF4)2XeF8) byly vyvinuty jako vysoce energetické oxidační činidlo pro použití jako pohonná hmota v raketách.[33][34]

Fluoridy xenonu jsou dobrými fluorizačními činidly.[35]

Klatráty byly použity k separaci helia a neonu od argonu, kryptonu a xenonu a také k přepravě argonu, kryptonu a xenonu (např. radioaktivní izotopy kryptonu a xenonu se obtížně skladují a likvidují a se sloučeninami těchto prvků lze manipulovat snadněji než s plynnými formami).[4]

Odkazy editovat

Reference editovat

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Noble gas compound na anglické Wikipedii.

  1. ↑ SMITH, Gregory L.; MERCIER, Hélène P. A.; SCHROBILGEN, Gary J. Synthesis of [F3S⋮NXeF][AsF6] and Structural Study by Multi-NMR and Raman Spectroscopy, Electronic Structure Calculations, and X-ray Crystallography. Inorganic Chemistry. 2007-01-26, roč. 46, čís. 4, s. 1369–78. DOI 10.1021/ic061899+. PMID 17256847. 
  2. ↑ SMITH, Gregory L.; MERCIER, Hélène P. A.; SCHROBILGEN, Gery J. F5SN(H)Xe+; a Rare Example of Xenon Bonded to sp3-Hybridized Nitrogen; Synthesis and Structural Characterization of [F5SN(H)Xe][AsF6]. Inorganic Chemistry. 2008-04-12, roč. 47, čís. 10, s. 4173–84. DOI 10.1021/ic702039f. PMID 18407626. 
  3. ↑ PAULING, Linus. The Formulas of Antimonic Acid and the Antimonates. Journal of the American Chemical Society. 1933-05-01, roč. 55, čís. 5, s. 1895–1900. DOI 10.1021/ja01332a016. 
  4. ↑ a b c d e HOLLOWAY, John H. Noble-Gas Chemistry. Londýn: Methuen, 1968. Dostupné online. ISBN 0-416-03270-2. 
  5. ↑ SEPPELT, Konrad. Recent developments in the Chemistry of Some Electronegative Element. Accounts of Chemical Research. 1979-06-01, roč. 12, čís. 6, s. 211–216. DOI 10.1021/ar50138a004. 
  6. ↑ MIESSLER, Gary L.; TARR, Donald A. Inorganic Chemistry. 2. vyd. [s.l.]: Prentice Hall, 1999. Dostupné online. ISBN 0-13-841891-8. S. 272. 
  7. ↑ BARTLETT, Neil. Xenon hexafluoroplatinate Xe+[PtF6]−. Proceedings of the Chemical Society of London. Čís. 6, s. 218. DOI 10.1039/PS9620000197. 
  8. ↑ GRAHAM, L.; GRAUDEJUS, O.; JHA, N. K., N. Bartlett. Concerning the nature of XePtF. Coordination Chemistry Reviews. Roč. 197, s. 321–334. DOI 10.1016/S0010-8545(99)00190-3. 
  9. ↑ CLAASSEN, H. H.; SELIG, H.; MALM, J. G. Xenon Tetrafluoride. Journal of the American Chemical Society. Roč. 84, čís. 18, s. 3593. DOI 10.1021/ja00877a042. 
  10. ↑ HOPPE, R.; DAEHNE, W; MATTAUCH, H., K. Roedder. Fluorination of Xenon. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.. 1962-11-01, roč. 11, čís. 1, s. 599. DOI 10.1002/anie.196205992. 
  11. ↑ a b LEHMANN, J.; MERCIER, Hélène P.A.; SCHROBILGEN, Gary J. The chemistry of krypton. Coordination Chemistry Reviews. 2002-11-01, čís. 233–234, s. 1–39. DOI 10.1016/S0010-8545(02)00202-3. 
  12. ↑ DREWS, Thomas; SEPPELT, Konrad. The Xe2+ Ion—Preparation and Structure. Angewandte Chemie International Edition. Roč. 36, čís. 3, s. 273–274. DOI 10.1002/anie.199702731. 
  13. ↑ PRUSAKOV, V. N.; SOKOLOV, V. B. Krypton difluoride. Soviet Atomic Energy. Roč. 31, čís. 3, s. 990–999. DOI 10.1007/BF01375764. 
  14. ↑ HOLLOWAY, John H.; HOPE, Eric G. Advances in Inorganic Chemistry. [s.l.]: Academic Press Dostupné online. ISBN 0-12-023646-X. S. 57. 
  15. ↑ KHRIACHTCHEV, L.; PETTERSSON, M.; RUNEBERG, N., J. Lundell, M. Räsänen. A stable argon compound. Nature. Roč. 406, čís. 6798, s. 874–876. DOI 10.1038/35022551. PMID 10972285. 
  16. ↑ a b BOCHENKOVA, Anastasia V.; BOCHENKOV, Vladimir E.; KHRIACHTCHEV, Leonid. HArF in Solid Argon Revisited: Transition from Unstable to Stable Configuration. The Journal of Physical Chemistry A.. Roč. 113, čís. 26, s. 7654–7659. DOI 10.1021/jp810457h. PMID 19243121. 
  17. ↑ WYATT, J. R.; STRATTAN, L. W.; SNYDER, S. C., P. M. Hierl. Chemical accelerator studies of reaction dynamics: Ar+ + CH 4 → ArH+ + CH 3. Journal of Chemical Physics. Roč. 62, čís. 7, s. 2555. Dostupné online. DOI 10.1063/1.430836. 
  18. ↑ BARLOW, M. J.; SWINYARD, B. M.; OWEN, P. J., J. Cernicharo, H. L. Gomez, R. J. Ivison,O. Krause, T. L. Kim, M. Matsuura, S. Miller, G. Oloffson, E. T. Polehampton. Detection of a Noble Gas Molecular Ion, 36 ArH+ , in the Crab Nebula. Science. Roč. 342, čís. 6164, s. 1343–1345. DOI 10.1126/science.1243582. PMID 24337290. 
  19. ↑ FRENKING, Gernot; KOCH, Wolfram; DEAKYNE, Carol A., Joel F. Liebemann, Neil Bartlett. The ArF+ cation. Is it stable enough to be isolated in a salt?. Journal of the American Chemical Society. Roč. 111, čís. 1, s. 31–33. DOI 10.1021/ja00183a00. 
  20. ↑ SELIG, Henry; HOLLOWAY, John H. Cationic and anionic complexes of the noble gases. Topics in Current Chemistry. Topics in Current Chemistry. Čís. 124, s. 33–90. DOI 10.1007/3-540-13534-0_2. 
  21. ↑ Periodic Table of Elements: Los Alamos National Laboratory [online]. periodic.lanl.gov, 2019-12-13 [cit. 2022-06-14]. Dostupné online. 
  22. ↑ HOGNESS, T. R.; LUNN, E. G. The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis. Phys. Rev. Lett. Americká fyzikální společnost, 1925-07-01, roč. 26, čís. 1, s. 44–55. DOI 10.1103/PhysRev.26.44. 
  23. ↑ CREW, Bec. Forget What You've Learned - Scientists Just Created a Stable Helium Compound [online]. ScienceAlert, 2017-02-07 [cit. 2022-06-14]. Dostupné online. 
  24. ↑ PITZER, Kenneth S. Fluorides of radon and element 118. Chemical Communications. Čís. 18, s. 760b–761. Dostupné online. DOI 10.1039/C3975000760b. 
  25. ↑ MOODY, Ken. Synthesis of Superheavy Elements. 2. vyd. [s.l.]: Springer Science & Business Media, 2013. ISBN 9783642374661. S. 24–28. 
  26. ↑ FRICKE, Burkhard. Superheavy elements: a prediction of their chemical and physical properties. Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry. Čís. 21, s. 89–144. Dostupné online. DOI 10.1007/BFb0116498. 
  27. ↑ PAULING, L. A molecular theory of general anesthesia. Science. Roč. 134, čís. 3471, s. 15–21. DOI 10.1126/science.134.3471.15. PMID 13733483. 
  28. ↑ HENDERSON, W. Main group chemistry. [s.l.]: Royal Society of Chemistry, 2000. Dostupné online. ISBN 0-85404-617-8. S. 148. 
  29. ↑ IKEDA, Tomoko; MAE, Shinji; YAMAMURO, Osamu, Takasuek Matsuo, Susumu Ikeda, Richard M. Ibberson. Distortion of Host Lattice in Clathrate Hydrate as a Function of Guest Molecule and Temperature. Journal of Physical Chemistry A.. Roč. 104, čís. 46, s. 10623–10630. DOI 10.1021/jp001313j. 
  30. ↑ SAUNDERS, M.; JIMÉNEZ-VÁZQUEZ, H. A.; CROSS, R. J., R. J. Poreda. Stable compounds of helium and neon. He@C60 and Ne@C60. Science. Roč. 259, čís. 5100, s. 1428–143. DOI 10.1126/science.259.5100.1428. PMID 1780127. 
  31. ↑ SAUNDERS, M.; JIMENEZ-VAZQUEZ, H. A.; CROSS, James R., Stanley Mroczkowski, Michael L. Gross, Daryl E Giblin, R. J. Poreda. Incorporation of helium, neon, argon, krypton, and xenon into fullerenes using high pressure. Journal of the American Chemical Society. Roč. 116, čís. 5, s. 2193–219. DOI 10.1021/ja00084a089. 
  32. ↑ MERCIER, H. P. A; MORAN, M. D.; SCHROBILGEN, G. J., C. Steinberg, R. J. Suantamo. The Syntheses of Carbocations by Use of the Noble-Gas Oxidant, [XeOTeF 5][Sb(OTeF 5) 6]: The Syntheses and Characterization of the CX+ 3 (X = Cl, Br, OTeF 5) and CBr(OTeF 5)+ 2 Cations and Theoretical Studies of CX+ 3 and BX 3 (X = F, Cl, Br, I, OTeF 5). J. Am. Chem. Soc.. Roč. 126, čís. 17, s. 5533–5548. DOI 10.1021/ja030649e. PMID 15113225. 
  33. ↑ CHRISTE, K. O.; WILSON, W. W. Perfluoroammonium and alkali-metal salts of the heptafluoroxenate(VI) and octafluoroxenate(VI) anions". Inorganic Chemistry. Inorganic Chemistr. Roč. 21, čís. 12. DOI 10.1021/ic00142a001. 
  34. ↑ CHRISTE, Karl O. Perfluoroammonium salt of heptafluoroxenon anion [online]. [cit. 2022-06-14]. Dostupné online. 
  35. ↑ CHRISTE, Karl O.; DIXON, David A. A Quantitative Scale for the Oxidizing Strength of Oxidative Fluorinators. Journal of the American Chemical Society. Roč. 114, čís. 8, s. 2978–2985. DOI 10.1021/ja00034a033. 
Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Sloučeniny_vzácných_plynů&oldid=23267573“