Gazy szlachetne

Pierwiastki z grupy 18 to gazy szlachetne (hel, neon, argon, krypton, ksenon, radon). Zyskały miano “szlachetnych”, ponieważ zakładano, że są niereaktywne, ponieważ wypełniały muszle walencyjne. W 1962 roku dr Neil Bartlett z University of British Columbia udowodnił, że to założenie jest fałszywe.

Pierwiastki te są obecne w atmosferze w niewielkich ilościach. Niektóre gazy ziemne zawierają 1–2% masy helu. Hel jest izolowany od gazu ziemnego poprzez skraplanie skraplających się składników, pozostawiając tylko hel jako gaz. Radon pochodzi z innych pierwiastków promieniotwórczych. Niedawno zaobserwowano, że ten radioaktywny gaz jest obecny w bardzo małych ilościach w glebach i minerałach. Jego nagromadzenie w dobrze ocieplonych, szczelnie uszczelnionych budynkach stanowi jednak zagrożenie dla zdrowia, przede wszystkim raka płuc.

Temperatury wrzenia i topnienia gazów szlachetnych są niezwykle niskie w porównaniu z innymi substancjami o porównywalnych masach atomowych lub cząsteczkowych. Dzieje się tak, ponieważ obecne są tylko słabe siły dyspersji londyńskiej, a siły te mogą utrzymać atomy razem tylko wtedy, gdy ruch molekularny jest bardzo niewielki, ponieważ jest to bardzo niska temperatura.

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. Schodząc w dół grupy, promień atomowy zwiększa się, a energia jonizacji maleje. Dodatnie wartości powinowactwa elektronowego tych pierwiastków wskazują, że jest mało prawdopodobne, aby uzyskały one również 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 sprawiły, że był lepszy od azotu ze względu na hamowanie parowania żarnika wolframowego i przedłużenie żywotności żarówki. Lampy fluorescencyjne zwykle zawierają mieszaninę argonu i par rtęci. Argon jest trzecim najobficiej występującym gazem w suchym powietrzu.

Hel jest używany 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 do osiągania niskich temperatur niezbędnych do badań kriogenicznych i jest niezbędny do osiągnięcia niskich temperatur niezbędnych do wytworzenia nadprzewodnictwa w tradycyjnych materiałach nadprzewodzących stosowanych w silnych magnesach i innych urządzeniach.

Neon jest składnikiem lamp i znaków neonowych. Przepuszczenie iskry elektrycznej przez rurkę zawierającą neon pod niskim ciśnieniem generuje znajomą czerwoną poświatę neonu. Możliwa jest zmiana barwy światła poprzez zmieszanie argonu lub par rtęci z neonem lub poprzez zastosowanie szklanych rurek o specjalnym kolorze.

Kryptonowo-ksenonowe lampy błyskowe służą do robienia zdjęć z dużą prędkością. Wyładowanie elektryczne przez taką rurkę daje bardzo intensywne światło, które trwa zaledwie 1/50 000 sekundy. Krypton tworzy difluorek, który jest niestabilny termicznie w temperaturze pokojowej.

Stabilne związki ksenonu powstają, gdy ksenon reaguje z fluorem. Difluorek ksenonu, XeF₂, powstaje po podgrzaniu nadmiaru gazu ksenonowego z gazowym fluorem, a następnie schłodzeniu. Materiał tworzy bezbarwne kryształy, które są stabilne w temperaturze pokojowej w suchej atmosferze. Tetrafluorek ksenonu, XeF₄ i heksafluorek ksenonu, XeF₆, są przygotowywane w analogiczny sposób, odpowiednio z stechiometryczną ilością fluoru i nadmiarem fluoru. Związki z tlenem otrzymuje się przez zastąpienie atomów fluoru we fluorkach ksenonu tlenem.

Gdy XeF₆ reaguje z wodą, powstaje roztwór XeO₃ i ksenon pozostaje na stopniu utlenienia +6 . Suchy, stały trójtlenek ksenonu, XeO₃, jest niezwykle wybuchowy – ulega spontanicznej detonacji.

Niestabilne związki argonu powstają w niskich temperaturach, ale stabilne związki helu i neonu nie są znane.

Ten tekst jest adaptacją z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 18.2: Występowanie, przygotowanie i właściwości gazów szlachetnych.