第18章典型元素の金属・半金属・非金属
18.12 Occurrence, Preparation, and Properties of the Noble Gases18.12 希ガスの存在・製法・性質
Learning Objectives学習目標
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この節を学び終えると、次のことができるようになる。
- Describe the properties, preparation, and uses of the noble gases希ガスの性質、製法、用途を説明する。
The elements in group 18 are the noble gases (helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon). They earned the name “noble” because they were assumed to be nonreactive since they have filled valence shells. In 1962, Dr. Neil Bartlett at the University of British Columbia proved this assumption to be false.
英語のヒント
18族の元素は、希ガス(ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン)である。価電子殻が満たされているので反応しないと考えられたことから、「noble(高貴な)」という名がついた。1962年、ブリティッシュコロンビア大学のニール・バートレット博士が、この仮定が誤りであることを証明した。
These elements are present in the atmosphere in small amounts. Some natural gas contains 1–2% helium by mass. Helium is isolated from natural gas by liquefying the condensable components, leaving only helium as a gas. The United States possesses most of the world’s commercial supply of this element in its helium-bearing gas fields. Argon, neon, krypton, and xenon come from the fractional distillation of liquid air. Radon comes from other radioactive elements. More recently, it was observed that this radioactive gas is present in very small amounts in soils and minerals. Its accumulation in well-insulated, tightly sealed buildings, however, constitutes a health hazard, primarily lung cancer.
英語のヒント
これらの元素は、大気中に少量存在する。天然ガスの中には、質量比で1~2%のヘリウムを含むものがある。凝縮可能な成分を液化し、ヘリウムだけを気体として残すことによって、天然ガスからヘリウムを単離する。米国は、ヘリウムを含むガス田に、この元素の世界の商業的供給源の大部分を保有している。アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノンは、液体空気の分留によって得られる。ラドンは、他の放射性元素から生じる。より最近、この放射性ガスが、土壌や鉱物にごく微量存在することが確認された。しかし、断熱性がよく、気密性の高い建物に蓄積すると、主に肺がんという健康上の危険となる。
The boiling points and melting points of the noble gases are extremely low relative to those of other substances of comparable atomic or molecular masses. This is because only weak London dispersion forces are present, and these forces can hold the atoms together only when molecular motion is very slight, as it is at very low temperatures. Helium is the only substance known that does not solidify on cooling at normal pressure. It remains liquid close to absolute zero (0.001 K) at ordinary pressures, but it solidifies under elevated pressure.
希ガスの沸点と融点は、原子質量や分子質量が同程度の他の物質と比べて、極めて低い。これは、弱いロンドン分散力しか働かず、この力が原子どうしを結びつけておけるのは、非常に低い温度の場合のように、分子運動がごく小さいときだけだからである。ヘリウムは、常圧で冷却しても凝固しない、知られている唯一の物質である。通常の圧力では、絶対零度に近い温度(0.001 K)でも液体のままだが、圧力を高めると固化する。
Helium is used for filling balloons and lighter-than-air craft because it does not burn, making it safer to use than hydrogen. Helium at high pressures is not a narcotic like nitrogen. Thus, mixtures of oxygen and helium are important for divers working under high pressures. Using a helium-oxygen mixture avoids the disoriented mental state known as nitrogen narcosis, the so-called rapture of the deep. Helium is important as an inert atmosphere for the melting and welding of easily oxidizable metals and for many chemical processes that are sensitive to air.
英語のヒント
ヘリウムは燃えず、水素より安全に使えるため、風船や軽航空機に充填するのに用いられる。高圧のヘリウムには、窒素のような麻酔作用がない。したがって、酸素とヘリウムの混合物は、高圧下で作業する潜水士に重要である。ヘリウムと酸素の混合物を使うと、窒素酔い、いわゆる「深海の陶酔」と呼ばれる、見当識が乱れた精神状態を避けられる。ヘリウムは、酸化されやすい金属の溶融・溶接や、空気の影響を受けやすい多くの化学的過程において、不活性雰囲気として重要である。
Liquid helium (boiling point, 4.2 K) is an important coolant to reach the low temperatures necessary for cryogenic research, and it is essential for achieving the low temperatures necessary to produce superconduction in traditional superconducting materials used in powerful magnets and other devices. This cooling ability is necessary for the magnets used for magnetic resonance imaging, a common medical diagnostic procedure. The other common coolant is liquid nitrogen (boiling point, 77 K), which is significantly cheaper.
英語のヒント
液体ヘリウム(沸点4.2 K)は、極低温研究に必要な低温へ到達するための重要な冷却剤であり、強力な磁石や他の装置に使われる従来の超伝導材料で、超伝導を生じさせるのに必要な低温を実現するうえで不可欠である。この冷却能力は、一般的な医療診断法である磁気共鳴画像法に用いられる磁石に必要である。他の一般的な冷却剤は、はるかに安価な液体窒素(沸点77 K)である。
Neon is a component of neon lamps and signs. Passing an electric spark through a tube containing neon at low pressure generates the familiar red glow of neon. It is possible to change the color of the light by mixing argon or mercury vapor with the neon or by utilizing glass tubes of a special color.
ネオンは、ネオンランプやネオンサインの成分である。低圧のネオンを含む管に電気火花を通すと、よく知られたネオンの赤い光が生じる。ネオンにアルゴンや水銀蒸気を混ぜたり、特別な色のガラス管を用いたりすることで、光の色を変えられる。
Argon was useful in the manufacture of gas-filled electric light bulbs, where its lower heat conductivity and chemical inertness made it preferable to nitrogen for inhibiting the vaporization of the tungsten filament and prolonging the life of the bulb. Fluorescent tubes commonly contain a mixture of argon and mercury vapor. Argon is the third most abundant gas in dry air.
アルゴンは、ガス入り電球の製造に有用であった。熱伝導率が低く化学的に不活性なため、タングステンフィラメントの蒸発を抑え、電球の寿命を延ばすには、窒素より適していた。蛍光管には、通常、アルゴンと水銀蒸気の混合物が入っている。アルゴンは、乾燥した空気で三番目に豊富な気体である。
Krypton-xenon flash tubes are used to take high-speed photographs. An electric discharge through such a tube gives a very intense light that lasts only of a second. Krypton forms a difluoride, KrF2, which is thermally unstable at room temperature.
クリプトン・キセノンの閃光管は、高速度写真の撮影に使われる。このような管を通した放電は、わずか秒間持続する、非常に強い光を発する。クリプトンは二フッ化物KrF2を作るが、これは室温では熱的に不安定である。
Stable compounds of xenon form when xenon reacts with fluorine. Xenon difluoride, XeF2, forms after heating an excess of xenon gas with fluorine gas and then cooling. The material forms colorless crystals, which are stable at room temperature in a dry atmosphere. Xenon tetrafluoride, XeF4, and xenon hexafluoride, XeF6, are prepared in an analogous manner, with a stoichiometric amount of fluorine and an excess of fluorine, respectively. Compounds with oxygen are prepared by replacing fluorine atoms in the xenon fluorides with oxygen.
キセノンがフッ素と反応すると、安定なキセノン化合物が生じる。過剰のキセノンガスをフッ素ガスとともに加熱し、次に冷却すると、二フッ化キセノンXeF2が生じる。この物質は、乾燥した雰囲気では室温で安定な、無色の結晶を作る。四フッ化キセノンXeF4と六フッ化キセノンXeF6も、それぞれ化学量論量のフッ素と過剰のフッ素を用い、同様の方法で調製される。酸素との化合物は、キセノンのフッ化物中のフッ素原子を酸素で置き換えて調製される。
When XeF6 reacts with water, a solution of XeO3 results and the xenon remains in the 6+-oxidation state:
XeF6が水と反応すると、XeO3の溶液が得られ、キセノンは6+の酸化状態を保つ。
Dry, solid xenon trioxide, XeO3, is extremely explosive—it will spontaneously detonate. Both XeF6 and XeO3 disproportionate in basic solution, producing xenon, oxygen, and salts of the perxenate ion, in which xenon reaches its maximum oxidation sate of 8+.
英語のヒント
乾燥した固体の三酸化キセノンXeO3は極めて爆発性が高く、自発的に爆轟する。XeF6とXeO3は、どちらも塩基性溶液中で不均化し、キセノン、酸素、過キセノン酸イオンの塩を生じる。このイオンでは、キセノンは最高酸化状態の8+に達する。
Radon apparently forms RnF2—evidence of this compound comes from radiochemical tracer techniques.
ラドンはRnF2を作ると考えられ、この化合物の証拠は、放射化学的トレーサー法によって得られている。
Unstable compounds of argon form at low temperatures, but stable compounds of helium and neon are not known.
低温ではアルゴンの不安定な化合物が生じるが、ヘリウムとネオンの安定な化合物は知られていない。