Благородні гази

Благоро́дні га́зи, іне́ртні га́зи, шляхе́тні га́зи — група хімічних елементів (18-та група періодичної системи хімічних елементів за IUPAC), до якої належать гелій, аргон, неон, криптон, ксенон, радон, оганесон, із заповненою валентною електронною оболонкою атомів, внаслідок чого для них характерні надзвичайно низька реакційна здатність (інертність), відсутність запаху, кольору, одноатомність і негорючість.

Спільний символ благородних газів як групи елементів — Ng (від англ. noble gas — шляхетний газ).

Історія відкриття

Гелій у 1868 виявили у спектрі Сонця П. Ж. Жансен та Джозеф Норман Лок’єр (англ. Joseph Norman Lockyer; 1836–1920; Велика Британія).

Аргон 1894 виділили із повітря Дж. В. Стретт (лорд Релей) і В. Рамзай.

Неон відкрили В. Рамзай і М. Траверс 1898 у процесі перегонки рідкого повітря, і того ж року криптон й ксенон — як залишок після видалення інших газів з рідкого повітря.

Радон виявив 1900 Фрідріх Дорн (нім. Friedrich Ernst Dorn; 1848–1916; Німеччина) як радіоактивний продукт розпаду радію. Оганесон у 2002 штучно синтезував Юрій Оганесян (нар. 1933; тепер Росія).

Перший представник хімічного ряду — аргон, який не вступав у жодні реакції, був відкритий внаслідок точного вимірювання густини азоту, коли виявилося, що густина азоту, отриманого з повітря, відрізняється від отриманого з реакції хімічної. Цей факт можна було пояснити лише наявністю в зразку з повітря невідомого інертного газу.

Ключову роль у відкритті та систематизації благородних газів відіграв В. Рамзай. На підставі використання фракційної перегонки рідкого повітря та спектрального аналізу учений відкрив аргон, неон, криптон і ксенон та запропонував виділити їх в окрему групу періодичної системи як «інертні гази». 1904 отримав Нобелівську премію з хімії за відкриття інертних газів у повітрі та їхнє включення до періодичної системи.

Фізичні властивості

Фізико-хімічні властивості благородних газів за стандартних умов (0 ^°C, 1 атм.):

Таблиця. Фізико-хімічні властивості благородних газів за стандартних умов (0 ^°C, 1 атм.)
Елемент	Символ	Атомна маса (г/моль)	Температура кипіння (°C)	Густина (г/л)	Енергія іонізації (кДж/моль)	Електро-негативність (за Полінгом)	Колір у газорозрядних лампах
Гелій	He	4.0026	−268.9	0.1786	2372	—	Блідо-жовтий
Неон	Ne	20.1797	−246.0	0.9002	2080	—	Червоний
Аргон	Ar	39.948	−185.8	1.784	1520	—	Блідо-фіолетовий
Криптон	Kr	83.798	−153.4	3.749	1350	3.00	Білий
Ксенон	Xe	131.293	−108.1	5.894	1170	2.60	Блакитний
Радон	Rn	~222	−61.7	~9.73	~1037	—	Немає даних
Оганесон	Og	~294	~невідомо	~невідомо	~невідомо	~невідомо	Немає даних

Електронегативність визначена лише для газів із більшою атомною масою (Kr, Xe), які здатні (важко і лише за певних умов) утворювати сполуки (уперше було спостережене із ксеноном).

Властивості оганесону передбачені теоретично, оскільки він синтезований штучно і кількість його атомів невелика (правдоподібно, за стандартних умов не є газом, а може бути навіть твердою речовиною, розрахована температура кипіння оцінюється ~ 80 ^°C). Унаслідок радіоактивності оганесон і радон обмежені в дослідженнях, а радон і в практичному застосуванні.

Благородні гази є діамагнетиками. Не мають постійного магнітного моменту, але деякі ізотопи (наприклад, ³He, ²¹Ne, ¹²⁹ Xe) мають ядерні магнітні моменти, що дозволяє використовувати їх у спектроскопії резонансу ядерного магнітного (ЯМР-спектроскопії) і медичній візуалізації. Гіперполяризований ¹²⁹ Xe застосовують у томографії магнітно-резонансній (МРТ) легень. Магнітні властивості також важливі для теоретичних моделей електронного екранування та хімії квантової. Загалом, магнітні характеристики благородних газів — ключ до розуміння тонких ядерних ефектів у фізиці та хімії.

Хімічні властивості

Інертні гази слабо реактивні, оскільки мають дуже високий потенціал іонізації та низьку електронегативність. Важко втрачають і приєднують електрони, тож погано утворюють як катіони Ng(+), так і аніони Ng(-).

Гелій, неон і аргон практично не утворюють хімічних сполук за нормальних умов, тобто є справжніми інертними газами.

Гелій не утворює стабільних нейтральних хімічних сполук. Його реактивність практично нульова. Єдиною відомою хімічною частинкою є йон HeH⁺ — гелійгідрид, який існує в міжзоряному просторі та в умовах йонних пасток магнітних. Також можливі слабкі Ван дер Ваальсові комплекси, але вони не є справжніми хімічними сполуками.

Неон ще менш реактивний, ніж гелій. Стабільних нейтральних сполук не виявлено. Відомі йонні форми, такі як NeH⁺, існують лише в умовах мас-спектрометрії або наднизьких температур. Аргон демонструє дещо вищу реактивність. Найвідомішим прикладом є йон ArH⁺, виявлений у космосі. Крім того, за наднизьких температур (нижче 40 К) синтезовано нейтральну сполуку HArF — аргонфторгідрид, що є справжньою хімічною сполукою, хоча й нестійкою. Аргон (завдяки слабким фізичним зв’язкам) здатен утворювати комплекси з молекулами типу Cl₂, CO.

1962 вперше було синтезовано стабільну за нормальних умов сполуку XePtF₆, що стало революцією в уявленнях про інертність благородних газів та започаткувало дослідження в області хімії цих елементів.

Ці дослідження показали, що криптон, ксенон та радон здатні утворити стабільні сполуки. Ксенон має найширший хімічний склад у 18-й групі, зі ступенями окиснення +1/2, +2, +4, +6 та +8 у своїх сполуках. Сполуки ксенону включають галогеніди, оксиди, оксофториди, оксосолі та ковалентні похідні. Фториди ксенону, такі як XeF₂, XeF₄ та XeF₆, є стабільними, безбарвними кристалічними твердими речовинами.

Ксенон, який посідає особливе місце серед благородних газів, на відміну від гелію, неону чи аргону, активно реагує з молекулами інших елементів, особливо зі фтором (див. Флуор) і киснем (див. Оксиген):

Xe + F₂ → XeF₂, XeF₄, XeF₆

Стабільними сполуками, крім фторидів, є оксиди (XeO₃, XeO₄), кислоти (H₂XeO₄) та комплекси з металами (наприклад, [XeF₅]⁺[PtF₆]^-). Реактивність Xe пояснюється високою поляризованістю атома і відносно низькою енергією іонізації. Криптон утворює KrF₂ — нестабільну сполуку. Радон може утворювати RnF₂, але через його радіоактивність ці реакції малодосліджені.

Благородні гази завдяки слабким міжмолекулярним взаємодіям утворюють фізичні комплекси. Найпоширенішими є комплекси типу Ng·M (де M — молекула-донор), які стабілізуються в кріогенних матрицях або газових струменях. Відомі слабкі Ван дер Ваальсові комплекси Ng·H₂O, Ng·CO₂, Ng·O₂, стабілізовані в матрицях за низьких температур та Ng·X₂ (X = F, Cl, Br, I) — комплекси з галогенами, де атом благородного газу (Ng) може виступати донором електронної густини для σ-дірки — електронно-дефіцитної області, локалізованої уздовж продовження σ-зв’язку, зокрема в твердотільних системах. Благородні гази також здатні утворювати клатрати — структури, де атоми газу фізично захоплені у ґратці (наприклад, Xe·H₂O). Ендоедральні комплекси, як He@C₆₀, мають квантові ефекти у замкненому просторі. За високого тиску навіть гелій може проявляти квазіхімічну взаємодію. Дослідження таких комплексів здійснюють методами ЯМР-спектроскопії, інфрачервоної спектроскопії, мас-спектрометрії та квантово-хімічного моделювання. Такі системи важливі для розуміння слабких взаємодій, квантової хімії та матеріалознавства.

Оганесон — найважчий елемент групи, хоч формально і належить до благородних газів, не зовсім інертний. Теоретичні моделі показують, що Og може взаємодіяти з іншими елементами, порушуючи класичні уявлення про інертність, причиною чого є релятивістські ефекти у важких атомах.

Поширеність у природі

Благородні гази поширені переважно в атмосфері, рідше — у надрах Землі. Найпоширенішим серед них є аргон, який становить близько 0,93 % атмосферного повітря (третій за вмістом після азоту і кисню). Аргон утворюється внаслідок радіоактивного розпаду калію-40 (див. Калій) у корі земній та накопичується в атмосфері протягом геологічного часу.

Гелій, хоча й легкий і здатний швидко залишати атмосферу, присутній у газі природному, особливо в родовищах США, Алжиру й Катару. Походження гелію — радіогенне, з розпаду урану і торію в надрах Землі. У повітрі гелію дуже мало — приблизно 0,0005 %.

Неон, криптон і ксенон також присутні в атмосфері, але в набагато менших концентраціях. Неон трапляється у концентрації близько 0,0018 %, криптон — 0,0001 %, а ксенон — лише 0,000009 %; надзвичайно стабільні і не вступають у хімічні реакції, а їхнє походження пов’язане із космічними процесами та ядерними реакціями.

Особливий випадок — радіоактивний радон, який утворюється під час розпаду урану і торію в ґрунтах і гірських породах. Через короткий період напіврозпаду (близько 3,8 доби) швидко розпадається.

Оганесон — штучно синтезований елемент, який у природі не трапляється. Його існування обмежене лабораторними умовами і він має надзвичайно короткий час життя.

Токсичність

Гелій, неон, аргон, криптон, ксенон — не токсичні. Вони не реагують з тканинами організму. У високих концентраціях можуть витісняти кисень, що призводить до асфіксії (кисневого голодування), особливо в закритих приміщеннях. Ксенон за умов високого тиску чинить наркотичну дію. Його використовують як інгаляційний анестетик.

Радон — єдиний токсичний благородний газ. Із диханням може накопичуватися в легенях, підвищуючи ризик раку (актуально для будинків, розташованих над урановими родовищами). Токсичність оганесону через надвисоку радіоактивність і короткий період життя не вивчена.

Застосування

Гелій — кріогеніка (наприклад, МРТ), газова хроматографія, наповнення повітряних куль і дирижаблів, захисне середовище у зварюванні металів, лазери, дихальні суміші для глибоководного дайвінгу. Неон — рекламні вивіски та освітлення, індикатори напруги, газорозрядні трубки, лазери, високовольтне обладнання як ізоляційне середовище.

Аргон — захисне середовище у зварюванні TIG / MIG (англ. Tungsten Inert Gas / Metal Inert Gas; аргонодугове зварювання), наповнення ламп розжарювання, мас-спектрометрія, консервація історичних артефактів.

Криптон — наповнення енергозберігаючих ламп, лазери (криптонові), дослідження в ядерній фізиці (ізотопи криптону). Ксенон — лампи високої інтенсивності, йонні двигуни для космічних апаратів, рентгенівські трубки, лазери (ксенонові імпульсні). Ксенонові сполуки мають важливе значення в хімії аналітичній, синтезі, а також медицині (наприклад, як анестетики).

Радіоактивність радону використовують як геологічний індикатор для моніторингу сейсмічної активності та виявлення розломів у корі земній. Концентрація радону може змінюватися перед землетрусами, що робить його корисним у геофізичних дослідженнях, геологічній розвідці (виявлення уранових родовищ), в якості радіоактивного маркера в наукових дослідженнях (застосування через канцерогенність суворо регламентоване).

Починаючи з першої половини 20 ст. частиною офіційної бальнеотерапії в м. Трускавці стали радонові ванни. Насичена радоном вода має потужний терапевтичний ефект, сприяє регенерації тканин, обміну речовин, зменшенню запалень, особливо при захворюваннях шкіри, суглобів, серця, а також у гінекології. Разом з тим є суттєве застереження: навіть мікродози радіоактивного радону у природній воді може бути некорисним для певних категорій пацієнтів.

Оганесон не має практичного застосування, його вивчають у рамках хімії ядерної і теоретичних моделей елементів надважкої групи.

Додатково

Аргон і гелій астрономи виявили в атмосферах далеких планет за межами Сонячної системи, що допомагає краще зрозуміти механізми втрати атмосфери та еволюцію планет. Запаси легкого гелію, який швидко покидає атмосферу, обмежені, це єдина речовина, що не переходить у тверду фазу навіть за нормального тиску й абсолютного нуля температури. Суперрідкий гелій використовують в експериментах із квантовими обчисленнями, де потрібна наднизька температура. Він допомагає стабілізувати біти квантові (кубіти) і зменшує шум у системах.

Благородні гази відомі своєю біологічною активністю завдяки седативним, снодійним та знеболювальним властивостям. Якщо звичайні анестетики мають недоліки (токсичність, зниження серцевого викиду тощо), то ксенон їх позбавлений і тому є анестетичним газом майбутнього. Аргон має подібні анестетичні властивості. Ксенон також активно досліджують як ліки для мозку — нейропротектор, який зможе зменшувати ушкодження мозку після інсульту або травми, блокуючи NMDA-рецептори.

Література

Templeton D. H. The Noble Gases: Structure, Properties, and Applications. New York : Elsevier, 1965. 312 p.
Bartlett N. The Chemistry of the Noble Gases. Amsterdam : Elsevier, 1971. 192 p.
Василега М. Благородні гази. Київ : Радянська школа, 1973. 160 с.
Cotton F., Wilkinson G., Gaus P. Basic Inorganic Chemistry. 3rd ed. New York : Wiley, 1994. 840 p.
Телегус В. С., Бодак О. І., Заречнюк О. С. та ін. Основи загальної хімії. Львів : Світ, 2000. 424 с.
Романова Н. В. Загальна та неорганічна хімія. Київ; Ірпінь : Перун, 2007. 480 с.
Fisher D. Much ado About (Practically) Nothing: A History of the Noble Gases. New York : Oxford University Press, 2010. 320 p.
Яворський В. Т. Неорганічна хімія. 2-ге вид. Львів : Львівська політехніка, 2016. 324 с.
Тевітін Є. Я., Бризицька А. М., Клюєва Р. Г. Загальна та неорганічна хімія. 3-тє вид. Харків : Національний фармацевтичний університет ; Золоті сторінки, 2017. 512 с.
Опейда Й., Швайка О. Глосарій термінів з хімії. Київ : Наукова думка, 2017. 738 с.
Grandinetti F. Noble Gas Chemistry: Structure, Bonding, and Gas-Phase Chemistry. Hoboken : John Wiley & Sons, 2018. 350 p.
Housecroft C. E., Sharpe A. G. Inorganic Chemistry. 5th ed. Harlow : Pearson Education, 2018. 1298 p.
Grochala W., Khriachtchev L., Rasanen M. Noble-Gas Chemistry // Physics and Chemistry at Low Temperatures. Singapore : Jenny Stanford Publishing, 2019. P. 419–446.
Mazej Z. Noble-gas chemistry more than half a century after the first report of the noble-gas compound // Molecules. 2020. Vol. 25. № 13. P. 1–18. URL: https://www.mdpi.com/1420-3049/25/13/3014
NIST Chemistry WebBook // National Institute of Standards and Technology. URL: https://webbook.nist.gov/chemistry/

Автор ВУЕ

Й. О. Опейда

Покликання на цю статтю: Опейда Й. О. Благородні гази // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Благородні гази (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 21.09.2025