Gazy szlachetne

UWAGI OGÓLNE
Gazy szlachetne, helowce to potoczna nazwa pierwiastków z grupy XVIII układu okresowego. Są to hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon (oraz otrzymany sztucznie w 2002 roku pierwiastek 118).
Są to jedyne pierwiastki które w stanie spoczynku mają oktet elektronowy. Ten fakt i bardzo niska reaktywność to właśnie „szlachetność” tych gazów.

Są to najmniej aktywne chemicznie pierwiastki, wszystkie są bezbarwnymi, bez smaku i zapachu gazami o niskich temperaturach skroplenia (a hel wyróżnia się najniższą temperaturą wrzenia), występujące w przyrodzie jako jednoatomowe cząstki (cząsteczka He2 jest nietrwała).

Są obecne w atmosferze ziemskiej (najbardziej rozpowszechniony jest argon-0,93% objętości atmosfery, najmniej radon- w śladowych ilościach). W całym wszechświecie hel jest drugim, po wodorze pierwiastkiem pod względem rozpowszechnienia.

Każdy kończy swój okres ponieważ mają wypełnione całkowicie orbitale elektronowe które występują w tym okresie (w przypadku orbitali p i s- zapełniają całkowicie te, które mają cyfrę przyporządkowaną temu okresowi). Każdy z pierwiastków w danym okresie dąży do zredukowania swojej energii, co uzyskują przez upodobnienie swojej konfiguracji do konfiguracji odpowiedniego gazu szlachetnego. Przez to helowce mają bardzo trwałe konfiguracje.

HISTORIA
Historia pierwiastków z XVIII grupy zaczęła się w XIX wieku.

Hel
Podczas badań słońca w 1868 roku francuski astronom Janssen zaobserwował ten pierwiastek. Zauważył że w widmie emisyjnym słońca występuje żółta linia położona blisko sodu. Nie był w stanie wytworzyć tej linii w laboratorium.
Angielski astronom, Lockyer, uznał że jest to linia nowego pierwiastka, którego nazwał helem (od gr. helios- słońce). Uznawano wtedy że hel nie występuje na ziemi.
W roku 1895 Ramsay otrzymał ten pierwiastek po potraktowaniu kleweitu, rudy uranu kwasem mineralnym.

Neon
Został odkryty przez Ramseya i Travers`a w Anglii w 1898 roku.

Argon
Odkryty w Szkocji przez Rayleigh i Ramseya w roku 1894. Nazwa pochodzi od gr. argos-leniwy, nieczynny. Po usunięciu tlenu i azotu z powietrza odkrywcy natrafili na gaz którego widmo absorpcyjne nie odpowiadało żadnemu znanemu pierwiastkowi. Swoją nazwę uzyskał na określenie jego bierności chemicznej.

Krypton
Na jego trop trafili Ramsey i Travers w 1898 w fazie argonowej po odparowaniu większości składników powietrza. Nazwa pochodzi od łacińskiego kryptos- ukryty.

Ksenon
Został zauważony wraz z kryptonem, nazwa pochodzi od gr. ksenos- obcy.

Radon
Odkryty w 1900 przez Dorna w Niemczech. Jego nazwa pochodzi od radu, pierwiastka odkrytego przez M. Curie.

Wtedy nie zaobserwowano żadnych reakcji tych pierwiastków, wysnuta została więc teza, że są całkowicie nieaktywne.
Dopiero jesienią 1961 roku Kanadyjczyk Bartlett otrzymał niezwykły związek tlenu i sześciofluorku platyny(PtF6). Zauważył on też, że wartości potencjału jonizacji cząsteczki tlenu i atomu ksenonu są niemal identyczne. Postanowił więc spróbować zamienić w otrzymanym związku dwa atomy tlenu na jeden ksenonu. I udało się. W marcu 1962 roku Bartlett otrzymał żółtopomarańczowy proszek, będący związkiem ksenonu, platyny i fluoru, w którym występowały normalne wiązania chemiczne. Jest to heksafluoroplatynek ksenonu (XePtF6), powstający w reakcji

Xe+ PtF6→ XePtF6
Xe0 – 1 e-→ Xe+1 Pt+6 + 1 e-→Pt+5
Już w 1962, po tym rewolucyjnym odkryciu, dezaktualizującym właściwie „szlachetność” ksenonu, zaczęto otrzymywać szereg innych związków Xe (np. tetra, tri i difluorek ksenonu) oraz związki Kr i rok temu, Ar. Wciąż jeszcze nie uzyskano takich związków He i Ne w których tworzyłyby one wiązania chemiczne. Radon zaś daje się połączyć w cząsteczki, lecz jest pierwiastkiem nietrwałym, stąd brak też trwałych związków.

OTRZYMYWANIE
Hel i argon powstają w wyniku przemian promieniotwórczych (m.in. hel jako cząsteczka z przemiany α, a argon z rozpadu potasu).
Wszystkie helowce poza radonem i 118 można uzyskać poprzez frakcjonowaną destylację powietrza, a hel dodatkowo z destylacji gazu ziemnego (w Polsce zawartość He w gazie ziemnym dochodzi do 7%).
Argon w większym stężeniu niż normalnie występuje w gazach cyrkulujących przy syntezie NH3.
Podstawowym źródłem otrzymywania radonu jest izotop radu 226 Ra. Można też go uzyskać z rud uranowych w których występuje w śladowych ilościach (jego czas połowicznego rozpadu wynosi niecałe 4 dni).

ZWIĄZKI POSZCZEGÓLNYCH HELOWCÓW
Uwaga: helowce, poza samym helem, tworzą klatraty- są to cząsteczki substancji mającej budowę krystaliczną, w których jest na tyle przestrzeni (tzw. budowa klatkowa), że „więżą” jakiś atom w swoim wnętrzu- cząsteczki gospodarza otaczają atom-gość ze wszystkich stron. Najczęściej przywoływane klatraty gazów szlachetnych to klatraty H2S, SO2 i HCl. Nie występują w nich jednak żadne wiązania chemiczne helowców więc nie można nazwać je ich związkami, raczej- połączeniami.
Hel nie jest reaktywny (nie uzyskano żadnego jego trwałego związku, nawet z H, więc można go tak określić; kwestia uzyskania jego związków jest jednak chyba tylko kwestią czasu).
Neon tworzy klatraty z wodą, toluenem i fenolem. Udało się zidentyfikować też jego jony: Ne+, (NeAr)+, (NeH)+, (HeNe)+.
Argon- hydrat i klatrat z hydrochinonem, jego trwałe połączenia z wodorem i fluorem są znane od bardzo niedawna.
Krypton- hydrat, składający się podobnie jak u argonu z 6 cząsteczek wody; klatraty z hydrochinonem i toluenem. Związki: halogenki (z fluorem KrF2, KrF4), kwas kryptonowy H2KrO4 i jego sól kryptonian baru BaKrO4. Zidentyfikowano też jony ArKr+, KrH+ i KrXe+.
Ksenon- poznano już ok. 80 związków Xe z tlenem i fluorem. Ksenon nie reaguje z innymi halogenami, nie reaguje z wodą, tylko się w niej rozpuszcza. Poznano też np. ksenonian sodu (VI), deuterek i wodorek ksenonu. Jego fluorki są bezbarwne (a Xe stoi tam na +II, +IV, +VI, +VIII stopniu utlenienia).
Radon tworzy jony jony Rn2+, reaguje z fluorowcami lecz nie można uzyskać tych halogenków w ilościach wagowych z powodu ich krótkotrwałości. Z innymi substancjami nie reaguje. Tworzy podobnie jak inne helowce, klatraty.

ZASTOSOWANIE

Hel
Używany do napełniania balonów (bardzo duża zdolność nośna, nie ulatuje z balonu tak szybko jak powietrze).
Jego mieszanina z tlenem (80 i 20%) jest wykorzystywana w butlach oddechowych dla nurków. Jest to bezpieczniejsze niż wtłoczenie azotu, zapobiega chorobom związanym ze zmianami ciśnienia.
Jest używany jak gaz ochronny do spawania w atmosferze beztlenowej, a jego niska temperatura wrzenia przyczynia się do używania go w kriogenice i jako chłodziwo w elektrowniach atomowych.
W lampach jarzeniowych daje żółte światło

Neon
Stosowany w lampach jarzeniowych dla uzyskania czerwonego światła (reklamy świetlne), fotodiod.
Jest wykorzystywany w lampach kineskopowych w odbiornikach telewizyjnych.
Ciekły neon ma zastosowanie jako wydajne i ekonomiczne chłodziwo.
W mieszaninie z helem jest stosowany w laserach.

Argon
Jest stosowany w przemyśle do wytwarzania atmosfery obojętnej, potrzebnej w niektórych procesach spawania.
Napełnia się nim żarówki i lampy jarzeniowe (niebieskie światło), w elektronice tyratrony i liczniki promieniowania jonizującego.
Ma wykorzystanie jako gaz nośny w chromatografii.
Stosunek zawartości izotopów 40K i 40 Ar w próbkach skał jest wykorzystywany do określania ich wieku.

Krypton
Przede wszystkim używany do lamp fluorescencyjnych (mieszanina z argonem). Ważnym zastosowaniem są lampy stroboskopowe na lotniskach.
Jego izotop 85 ma zastosowanie w analizie chemicznej i medycynie (terapia antynowotworowa).
Występuje też w lampach fotograficznych.

Ksenon
Stosowany do produkcji działek elektronowych, lamp stroboskopowych i lamp używanych do konstrukcji laserów wysokiej mocy.
Jego tlenki są używane w chemii analitycznej jako czynniki utleniające.
Izotopy Xe mają zastosowanie w radioskopii (133).

Radon
Używa się go w medycynie do leczenia zachorowań związanych z przemianą materii, chorób stawów i obwodowego układu nerwowego (stąd słynne kąpiele radonowe). Bardzo ważnym zastosowaniem w medycynie jest diagnostyka nowotworowa.
Ważnym jego zastosowaniem jest wykrywanie rud uranu w geologii.

Bibliografia:
Chemia nieorganiczna
Materiały z seminarium prof. Michalskiej-Bąk „Chemia nieorganiczna II” na Politechnice Wrocławskiej
Encyklopedia Gazety Wyborczej i PWN, encyklopedie internetowe PWN i Wikipedia.