8.8: Gazy szlachetne

Pierwiastki z grupy 18 to gazy szlachetne (hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon). Zasłużyły one na miano „szlachetnych”, ponieważ stwierdzone, że są niereaktywne i wypełniają wszystkie powłoki walencyjne. W 1962 roku dr Neil Bartlett z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej udowodnił jednak, że to założenie jest fałszywe.

Pierwiastki te występują w atmosferze w niewielkich ilościach. Niektóre gazy ziemne zawierają 1–2% helu w masie. Hel jest izolowany z gazu ziemnego poprzez upłynnienie składników ulegających kondensacji, pozostawiając hel jedynie w postaci gazu. Radon pochodzi z innych pierwiastków promieniotwórczych. Niedawno zaobserwowano, że ten radioaktywny gaz występuje w bardzo małych ilościach w glebie i minerałach. Jego gromadzenie się w dobrze izolowanych, szczelnie zamkniętych budynkach może stanowić zagrożenie dla zdrowia, przede wszystkim ryzyko raka płuc.

Temperatury wrzenia i temperatury topnienia gazów szlachetnych są wyjątkowo niskie w porównaniu z temperaturami innych substancji o porównywalnych masach atomowych lub cząsteczkowych. Dzieje się tak, ponieważ obecne są tylko słabe siły dyspersyjne Londona, które mogą utrzymać atomy razem tylko wtedy, gdy ruch molekularny jest bardzo niewielki spowodowany bardzo niską temperaturą.

Pełne orbitale s i p powłoki walencyjnej zwiększają stabilność gazów szlachetnych. Pierwiastki te mają największe energie pierwszej jonizacji, co wskazuje, że usunięcie elektronu jest trudne. Idąc w dół grupy, promień atomowy wzrasta, a energia jonizacji maleje. Dodatnie wartości powinowactwa elektronowego tych pierwiastków wskazują, że jest mało prawdopodobne, aby one również przyjęły elektrony. Tabela 1 podsumowuje właściwości gazów szlachetnych.

Tabela 1: Właściwości gazów szlachetnych.

Argon jest przydatny w produkcji żarówek elektrycznych wypełnionych gazem, gdzie jego niższa przewodność cieplna i obojętność chemiczna sprawiają, że jest on lepszy od azotu ze względu na hamowanie parowania żarnika wolframowego i przedłużanie żywotności żarówki. Świetlówki zwykle zawierają mieszaninę argonu i par rtęci. Argon jest trzecim najczęściej występującym gazem w suchym powietrzu.

Hel służy do napełniania balonów i statków lżejszych od powietrza, ponieważ nie pali się, dzięki czemu jest bezpieczniejszy w użyciu niż wodór. Ciekły hel (temperatura wrzenia 4,2 K) jest ważnym czynnikiem chłodzącym. Umożliwia on osiągnięcie niskich temperatur niezbędnych do badań kriogenicznych i koniecznych do wytworzenia nadprzewodnictwa w tradycyjnych materiałach nadprzewodzących, stosowanych w potężnych magnesach i innych urządzeniach.

Neon jest składnikiem lamp neonowych i znaków. Przepuszczenie iskry elektrycznej przez rurkę zawierającą neon pod niskim ciśnieniem powoduje charakterystyczną czerwoną poświatę neonu. Istnieje możliwość zmiany barwy światła poprzez zmieszanie oparów argonu lub rtęci z neonem lub zastosowanie szklanych rurek o specjalnym kolorze.

Lampy błyskowe kryptonowo-ksenonowe służą do wykonywania zdjęć z dużą szybkością. Wyładowanie elektryczne przez taką rurkę daje bardzo intensywne światło, które trwa tylko 1/50 000 sekundy. Krypton tworzy difluorek, który jest niestabilny termicznie w temperaturze pokojowej.

Stabilne związki ksenonu powstają, gdy ten reaguje z fluorem. Difluorek ksenonu, XeF2, powstaje po podgrzaniu nadmiaru gazowego ksenonu za pomocą gazowego fluoru, a następnie ochłodzeniu. Materiał tworzy bezbarwne kryształy, które są stabilne w temperaturze pokojowej w suchej atmosferze. Tetrafluorek ksenonu, XeF4 i sześciofluorek ksenonu, XeF6, wytwarza się w analogiczny sposób, odpowiednio ze stechiometryczną ilością fluoru i nadmiarem fluoru. Związki zawierające tlen wytwarza się przez zastąpienie atomów fluoru we fluorkach ksenonu tlenem.

Kiedy XeF6 reaguje z wodą, powstaje roztwór XeO3, a ksenon pozostaje na stopniu utlenienia +6. Suchy, stały trójtlenek ksenonu, XeO3, jest niezwykle wybuchowy — ulegnie samoistnej detonacji.

W niskich temperaturach tworzą się niestabilne związki argonu, ale nie są znane stabilne związki helu i neonu.

Pierwiastki niemetaliczne sklasyfikowane w grupie 18 – hel, neon, argon, krypton, kssenon i radon – nazywane są gazami szlachetnymi. Pierwiastki te występują jako gatunki jednoatomowe i występują jako gazy w temperaturze pokojowej. Radon jest jedynym pierwiastkiem promieniotwórczym z grupy 18. 

Przesuwając się w dół grupy, pierwiastki wykazują wzrost temperatur wrzenia, gęstości i promieni atomowych, co w konsekwencji prowadzi do spadku energii jonizacji każdego kolejnego pierwiastka. 

Jednak gazy szlachetne mają wysokie energie pierwszej jonizacji w porównaniu ze wszystkimi innymi pierwiastkami w układzie okresowym pierwiastków. Dzieje się tak, ponieważ pierwiastki te mają stabilne konfiguracje elektronowe z pełnymi oktetami. Usunięcie elektronu wymaga wprowadzenia dużej ilości energii, co jest niekorzystne. 

Gazy szlachetne mają również dodatnie wartości powinowactwa elektronowego. Oznacza to, że energia jest potrzebna do dodania dodatkowego elektronu do atomu gazowego. Gazy szlachetne są odporne na dodawanie elektronów, ponieważ ich powłoki walencyjne są już kompletne, a nadchodzący elektron musi wejść do wyższej głównej powłoki kwantowej. 

Wysoka stabilność gazów szlachetnych świadczy o ich obojętności chemicznej, która znajduje wiele zastosowań przemysłowych. Na przykład argon jest używany do produkcji żarówek elektrycznych wypełnionych gazem, aby zapobiec utlenianiu żarników wolframowych, przedłużając żywotność żarówki. Hel służy do wytwarzania obojętnej atmosfery podczas topienia i spawania łatwo utleniających się metali.

Początkowo uważano, że gazy szlachetne są całkowicie niereaktywne chemicznie i nazywano je gazami obojętnymi. Jednak na początku lat sześćdziesiątych Neil Barlett odkrył pewne wyjątki. Na przykład stwierdzono, że ksenon o najniższej energii jonizacji gazów szlachetnych reaguje z najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem, fluorem. 

Difluorek ksenonu, otrzymywany przez ogrzewanie nadmiaru gazu ksenonowego z gazowym fluorem, jest stabilnym, krystalicznym materiałem. Inne związki, takie jak tetrafluorek ksenonu i sześciofluorek ksenonu, mogą być również wytwarzane w podobny sposób.

Związki ksenonowe z pierwiastkiem elektroujemnym, tlenem, mogą być wytwarzane przez zastąpienie atomów fluoru we fluorkach ksenonu tlenem. Na przykład heksafluorek ksenonu reaguje z wodą, dając roztwór trójtlenku ksenonu.