GAZY SZLACHETNE: CHARAKTERYSTYKA, KONFIGURACJA, REAKCJE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Te gazy szlachetne to zestaw elementów znalezionych przez włączenie grupy 18 układu okresowego. Przez lata nazywano je również gazami rzadkimi lub obojętnymi, obie są niedokładne; niektóre z nich są bardzo liczne na zewnątrz i wewnątrz planety Ziemi, a także są zdolne do reagowania w ekstremalnych warunkach.

Jego siedem pierwiastków tworzy chyba najbardziej unikalną grupę w układzie okresowym, której właściwości i niska reaktywność są równie imponujące jak metale szlachetne. Wśród nich paraduje najbardziej bezwładny pierwiastek (neon), drugi najbardziej rozpowszechniony w Kosmosie (hel) i najcięższy i najbardziej niestabilny (oganeson).

Blask pięciu szlachetnych gazów w szklanych fiolkach lub ampułkach. Źródło: Nowa praca Alchemist-hp (dyskusja) www.pse-mendelejew.de); oryginalne pojedyncze obrazy: Jurii, http://images-of-elements.com.

Gazy szlachetne są najzimniejszymi substancjami w przyrodzie; wytrzymują bardzo niskie temperatury przed kondensacją. Jeszcze trudniejsze jest jego zamrożenie, ponieważ jego siły międzycząsteczkowe oparte na rozpraszaniu w Londynie i polaryzowalność jego atomów są zbyt słabe, aby ledwie utrzymać ich spójność w krysztale.

Ze względu na niską reaktywność są stosunkowo bezpiecznymi gazami do przechowywania i nie stanowią zbyt dużego ryzyka. Mogą jednak wypierać tlen z płuc i powodować uduszenie w przypadku nadmiernego wdychania. Z drugiej strony, dwóch jego członków to pierwiastki wysoce radioaktywne, a zatem śmiertelne dla zdrowia.

Niska reaktywność gazów szlachetnych jest również wykorzystywana do zapewnienia reakcji w obojętnej atmosferze; tak, że żaden odczynnik lub produkt nie jest narażony na ryzyko utleniania i wpływania na przebieg syntezy. To również sprzyja procesom spawania łukiem elektrycznym.

Z drugiej strony w stanie ciekłym są doskonałymi kriogenicznymi czynnikami chłodniczymi, gwarantującymi najniższe temperatury, niezbędne do poprawnej pracy wysokoenergetycznych urządzeń lub do osiągnięcia przez niektóre materiały stanów nadprzewodnictwa.

Charakterystyka gazów szlachetnych

Po prawej stronie (zaznaczona na pomarańczowo) znajduje się grupa gazów szlachetnych. Od góry do dołu: hel (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), ksenon (Xe) i radon (Rn).

Być może gazy szlachetne są pierwiastkami, które mają najwięcej wspólnych cech, zarówno fizycznych, jak i chemicznych. Jego główne cechy to:

- Wszystkie są bezbarwne, bezwonne i bez smaku; ale kiedy są zamknięte w ampułkach przy niskim ciśnieniu i doznają porażenia prądem, jonizują i emitują kolorowe światła (górne zdjęcie).

- Każdy gaz szlachetny ma swoje własne światło i widmo.

- Są to gatunki jednoatomowe, jedyne w układzie okresowym, które mogą istnieć w swoich odpowiednich stanach skupienia bez udziału wiązań chemicznych (ponieważ metale są łączone przez wiązanie metaliczne). Dlatego doskonale nadają się do badania właściwości gazów, ponieważ bardzo dobrze dostosowują się do kulistego modelu gazu doskonałego.

- Na ogół są to pierwiastki o najniższej temperaturze topnienia i wrzenia; tak bardzo, że hel nie może nawet krystalizować w zera absolutnego bez wzrostu ciśnienia.

- Ze wszystkich pierwiastków są najmniej reaktywne, nawet mniej niż metale szlachetne.

- Ich energie jonizacji są najwyższe, podobnie jak ich elektroujemności, przy założeniu, że tworzą wiązania czysto kowalencyjne.

- Ich promienie atomowe są również najmniejsze, ponieważ znajdują się skrajnie po prawej stronie każdego okresu.

7 gazów szlachetnych

Siedem szlachetnych gazów jest, od góry do dołu, schodząc w grupie 18 układu okresowego:

-Helio, He

-Neon, Ne

-Argon, Ar

-Krypton, Kr

-Xenon, Xe

-Radon, Rn

-Oganeson, Og

Wszystkie z nich, z wyjątkiem niestabilnego i sztucznego oganesonu, zostały przebadane pod kątem ich właściwości fizycznych i chemicznych. Uważa się, że Oganeson, ze względu na dużą masę atomową, nie jest nawet gazem, ale raczej szlachetną cieczą lub ciałem stałym. Niewiele wiadomo na temat radonu ze względu na jego radioaktywność w stosunku do helu lub argonu.

Elektroniczna Konfiguracja

Mówi się, że gazy szlachetne mają całkowicie wypełnioną powłokę walencyjną. Do tego stopnia, że ​​ich konfiguracje elektroniczne są używane do uproszczenia konfiguracji innych elementów poprzez użycie ich symboli zawartych w nawiasach (,, itp.). Jego konfiguracje elektroniczne to:

-Hel: 1s ² , (2 elektrony)

-Neon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ , (10 elektronów)

-Argon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ , (18 elektronów)

-Krypton: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ , (36 elektronów)

-Xenon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶ , (54 elektrony)

-Radon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 4f ¹⁴ 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰ 6s ² 6p ⁶ , (86 elektronów)

Ważne jest, aby ich nie zapamiętać, ale wyszczególnić, że kończą się na ns ² np ⁶ : oktet walencyjny. Podobnie ocenia się, że jego atomy mają wiele elektronów, które z powodu dużej efektywnej siły jądrowej mają mniejszą objętość w porównaniu z innymi pierwiastkami; to znaczy, że ich promienie atomowe są mniejsze.

Dlatego ich gęste elektronicznie promienie atomowe wykazują chemiczną właściwość, którą mają wszystkie gazy szlachetne: są one trudne do polaryzacji.

Polaryzowalność

Gazy szlachetne można sobie wyobrazić jako kule chmur elektronowych. Podczas opadania przez grupę 18 jej promienie rosną, a tym samym odległość, która dzieli jądro od elektronów walencyjnych (te z ns ² np ⁶ ).

Te elektrony odczuwają mniej atrakcyjną siłę przez jądro, mogą poruszać się swobodniej; kule odkształcają się łatwiej, im są większe. Konsekwencją takich ruchów są regiony o małych i wysokich gęstościach elektronów: bieguny δ + i δ-.

Kiedy atom gazu szlachetnego jest spolaryzowany, staje się natychmiastowym dipolem zdolnym do indukowania kolejnego do sąsiedniego atomu; to znaczy, że stoimy przed rozproszonymi siłami Londynu.

Dlatego siły międzycząsteczkowe wzrastają od helu do radonu, co znajduje odzwierciedlenie w ich rosnących temperaturach wrzenia; i nie tylko to, ale także zwiększa się ich reaktywność.

W miarę jak atomy stają się bardziej spolaryzowane, istnieje większe prawdopodobieństwo, że ich elektrony walencyjne uczestniczą w reakcjach chemicznych, po których powstają związki gazu szlachetnego.

Reakcje

Hel i neon

Spośród gazów szlachetnych najmniej reaktywne są hel i neon. W rzeczywistości neon jest najbardziej obojętnym pierwiastkiem ze wszystkich, mimo że jego elektroujemność (wynikająca z tworzenia wiązań kowalencyjnych) jest większa niż fluoru.

Żaden z jego związków nie jest znany w warunkach lądowych; jednakże w Kosmosie istnienie jonu molekularnego HeH ⁺ jest całkiem prawdopodobne . Podobnie, gdy są wzbudzone elektronicznie, są zdolne do interakcji z atomami gazowymi i tworzenia krótkotrwałych neutralnych cząsteczek zwanych ekscymerami; takie jak HeNe, CsNe i Ne ₂ .

Z drugiej strony, chociaż nie są one uważane za związki w sensie formalnym, atomy He i Ne mogą dać początek cząsteczkom Van der Wallsa; to znaczy związki, które są utrzymywane „razem” po prostu przez siły rozpraszające. Na przykład: Ag ₃ He, HeCO, HeI ₂ , CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ i NeBeCO ₃ .

Podobnie, takie cząsteczki Van der Wallsa mogą istnieć dzięki słabym oddziaływaniom dipolowym indukowanym przez jony; na przykład: Na ⁺ He ₈ , Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ i Cu ⁺ Ne ₁₂ . Zauważ, że jest nawet możliwe, aby te cząsteczki stały się aglomeratami atomów: klastrami.

I wreszcie, atomy He i Ne mogą być „uwięzione” lub interkalowane w endoedrycznych kompleksach fulerenów lub klatratów, bez reagowania; na przykład: ₆₀ , (N ₂ ) ₆ Ne ₇ , He (H ₂ O) ₆ i Ne • NH ₄ Fe (HCOO) ₃ .

Argon i krypton

Gazy szlachetne argon i krypton, ponieważ są bardziej podatne na polaryzację, mają tendencję do tworzenia większej ilości „związków” niż hel i neon. Jednak część z nich jest bardziej stabilna i charakterystyczna, ponieważ mają dłuższą żywotność. Wśród nich jest HArF oraz jon molekularny ArH ⁺ , obecny w mgławicach w wyniku działania promieni kosmicznych.

Od kryptonu zaczyna się możliwość otrzymywania związków w ekstremalnych, ale zrównoważonych warunkach. Gaz ten reaguje z fluorem zgodnie z następującym równaniem chemicznym:

Kr + F ₂ → KrF ₂

Zauważ, że krypton uzyskuje stopień utlenienia +2 (Kr ²⁺ ) dzięki fluoru. KrF ₂ można faktycznie syntetyzować w ilościach rynkowych jako środek utleniający i fluorujący.

Argon i krypton mogą stworzyć szeroki repertuar klatratów, kompleksów endoedrycznych, cząsteczek Van der Wallsa i niektórych związków oczekujących na odkrycie po ich przewidywanym istnieniu.

Ksenon i radon

Ksenon jest królem reaktywności wśród gazów szlachetnych. Tworzy naprawdę stabilne, nadające się do sprzedaży i charakteryzujące się właściwościami związki. W rzeczywistości jego reaktywność przypomina tlen w odpowiednich warunkach.

Jego pierwszym zsyntetyzowanym związkiem był „XePtF ₆ ”, napisany w 1962 roku przez Neila Bartletta. Sól ta faktycznie, zgodnie z literaturą, składała się ze złożonej mieszaniny innych fluorowanych soli ksenonu i platyny.

Jednak to było więcej niż wystarczające, aby wykazać powinowactwo między ksenonem i fluorem. Wśród niektórych z tych związków mamy: XeF ₂ , XeF ₄ , XeF ₆ i ^{+ -} . Kiedy XeF ₆ rozpuszcza się w wodzie, wytwarza tlenek:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

Ten XeO ₃ może pochodzić z gatunku znanego jako xenatos (HXeO ₄ ^- ) lub kwas ksenowy (H ₂ XeO ₄ ). Ksenany nieproporcjonalne do nadksenianów (XeO ₆ ^4- ); a jeśli podłoże jest następnie zakwaszane w kwasie nadtlenowym (H ₄ XeO ₆ ), który jest odwodniony do tetratlenku ksenonu (XeO ₄ ):

H ₄ XeO ₆ → 2 H ₂ O + XeO ₄

Radon powinien być najbardziej reaktywnym z gazów szlachetnych; Ale jest tak radioaktywny, że prawie nie ma czasu na reakcję przed rozpadem. Jedynymi związkami, które zostały w pełni zsyntetyzowane, są jego fluorek (RnF ₂ ) i tlenek (RnO ₃ ).

Produkcja

Skraplanie powietrza

Gazy szlachetne stają się bardziej obfite we Wszechświecie, gdy schodzimy przez grupę 18. Jednak w atmosferze hel jest rzadkością, ponieważ pole grawitacyjne Ziemi nie może go zatrzymać, w przeciwieństwie do innych gazów. Dlatego wykryto go nie w powietrzu, ale na słońcu.

Z drugiej strony, w powietrzu znajdują się znaczne ilości argonu pochodzącego z rozpadu radioaktywnego radioizotopu ⁴⁰ K. Powietrze jest najważniejszym naturalnym źródłem argonu, neonu, kryptonu i ksenonu na planecie.

Aby je wyprodukować, powietrze musi najpierw zostać upłynnione, aby skondensowało się w ciecz. Następnie ciecz ta poddawana jest destylacji frakcjonowanej, oddzielając w ten sposób każdy ze składników jej mieszaniny (N ₂ , O ₂ , CO ₂ , Ar itp.).

W zależności od tego, jak niska musi być temperatura i obfitość gazu, jego ceny rosną, plasując ksenon jako najdroższy, a hel jako najtańszy.

Destylacja gazu ziemnego i minerałów radioaktywnych

Natomiast hel jest uzyskiwany z innej destylacji frakcyjnej; ale nie z powietrza, ale z gazu ziemnego, wzbogaconego helem dzięki uwolnieniu cząstek alfa z radioaktywnych minerałów toru i uranu.

Podobnie radon „rodzi się” z radioaktywnego rozpadu radu w odpowiednich minerałach; ale ze względu na ich mniejszą liczebność i krótki okres półtrwania atomów Rn, ich obfitość jest śmieszna w porównaniu z ich kongenerami (innymi gazami szlachetnymi).

I wreszcie oganeson to wysoce radioaktywny, ultramassyczny, sztuczny „gaz” szlachetny, który może istnieć tylko przez krótki czas w kontrolowanych warunkach w laboratorium.

Niebezpieczeństwa

Głównym zagrożeniem związanym z gazami szlachetnymi jest to, że ograniczają one wykorzystanie tlenu przez człowieka, zwłaszcza gdy wytwarzana jest atmosfera o wysokim ich stężeniu. Dlatego nie zaleca się ich nadmiernego wdychania.

W Stanach Zjednoczonych wykryto wysokie stężenie radonu w glebach bogatych w uran, który ze względu na swoje właściwości promieniotwórcze może stanowić zagrożenie dla zdrowia.

Aplikacje

Przemysł

Hel i argon są używane do tworzenia obojętnej atmosfery do ochrony podczas spawania i cięcia. Ponadto są wykorzystywane do produkcji półprzewodników krzemowych. Hel jest używany jako gaz wypełniający w termometrach.

Do produkcji żarówek używany jest argon w połączeniu z azotem. W lampach wyładowczych stosuje się krypton zmieszany z halogenami, takimi jak brom i jod. Neon jest używany w znakach świetlnych, zmieszany z luminoforami i innymi gazami w celu nadania mu czerwonego koloru.

Ksenon jest stosowany w lampach łukowych, które emitują światło przypominające światło dzienne, które są używane w samochodowych reflektorach i projektorach. Gazy szlachetne są mieszane z halogenami w celu wytworzenia ArF, KrF lub XeCl, które są wykorzystywane do produkcji laserów ekscymerowych.

Ten typ lasera wytwarza krótkofalowe światło ultrafioletowe, które generuje bardzo precyzyjne obrazy i jest stosowany do produkcji układów scalonych. Hel i neon są używane jako kriogeniczne gazy chłodnicze.

Balony i zbiorniki do oddychania

Hel jest stosowany jako zamiennik azotu w mieszaninie gazów oddechowych ze względu na jego niską rozpuszczalność w organizmie. Zapobiega to tworzeniu się pęcherzyków podczas fazy dekompresji podczas wynurzania, a także eliminuje narkozę azotową.

Hel zastąpił wodór jako gaz, który umożliwia unoszenie się sterowców i balonów na ogrzane powietrze, ponieważ jest to gaz lekki i niepalny.

Medycyna

Hel jest używany do produkcji magnesów nadprzewodzących stosowanych w sprzęcie do magnetycznego rezonansu jądrowego - wielofunkcyjnym narzędziu w medycynie.

Krypton jest stosowany w lampach halogenowych stosowanych w laserowej chirurgii oka i angioplastyce. Hel jest stosowany w celu ułatwienia oddychania pacjentom z astmą.

Ksenon jest stosowany jako środek znieczulający ze względu na jego wysoką rozpuszczalność w tłuszczach i uważa się, że będzie środkiem znieczulającym przyszłości. Ksenon jest również używany w obrazowaniu płuc.

Radon, radioaktywny gaz szlachetny, jest stosowany w radioterapii niektórych typów raka.

Inni

Argon jest używany w syntezie związków zastępujących azot jako obojętną atmosferę. Hel jest używany jako gaz nośny w chromatografii gazowej, a także w licznikach Geigera do pomiaru promieniowania.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (06 czerwca 2019). Właściwości, zastosowania i źródła gazów szlachetnych. Odzyskany z: thinkco.com
4. Wikipedia. (2019). Gaz szlachetny. Odzyskane z: en.wikipedia.org
5. Philip Ball. (18 stycznia 2012). Niemożliwa chemia: zmuszanie szlachetnych gazów do pracy. Odzyskany z: newscientist.com
6. Profesor Patricia Shapley. (2011). Chemia gazów szlachetnych. Odzyskany z: butane.chem.uiuc.edu
7. Gary J. Schrobilgen. (28 lutego 2019). Gaz szlachetny. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com