Gazy szlachetne: charakterystyka, odkrycia i zastosowania

Gazy Szlachetne
Gazy szlachetne to grupa pierwiastków w układzie okresowym pierwiastków. Należą do niej: hel (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), ksenon (Xe) oraz radon (Rn). Gazy szlachetne są bezbarwnymi, bezwonnymi i chemicznie biernymi gazami. W odróżnieniu od innych pierwiastków gazowych, występują w cząsteczkach jednoatomowych (ich atomy nie łączą się w cząsteczki dwu- lub wieloatomowe).

Do roku 1962 nie udało się otrzymać żadnego związku chemicznego gazów szlachetnych. Obecnie możliwe jest otrzymanie względnie trwałych związków trzech cięższych gazów szlachetnych: kryptonu, ksenonu i radonu. Nie otrzymano natomiast trwałych związków lżejszych gazów szlachetnych: helu, neonu i argonu. Układ ten jest bardzo stabilny, co na podstawie jego właściwości sformułowało regułę oktetu, mówiącą, że atomy pierwiastków dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej najbliższego gazu szlachetnego.

Hel (He)

Symbol: He
Liczba atomowa: 2
Hel jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 2 i symbolu He. Został odkryty w 1868 roku niezależnie przez francuskiego astronoma Pierre'a Janssena oraz brytyjskiego chemika Josepha Normana Lockyera. Nazwa pochodzi od greckiego słowa *helios* – słońce. Podczas całkowitego zaćmienia Słońca Janssen odkrył nową, żółtą linię w widmie słonecznym, której nie dało się przypisać żadnemu znanemu pierwiastkowi. W tym samym roku Lockyer potwierdził obecność helu w gazach wydobywających się z minerału kleweitu.

Hel występuje w atmosferze ziemskiej w ilości około 5 ppm* oraz w gazie ziemnym w śladowych ilościach. Jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, który jest bardzo lekki – około dwa razy cięższy od wodoru i siedmiokrotnie lżejszy od powietrza. Hel ma najniższą ze wszystkich gazów temperaturę wrzenia (-268,9°C) i topnienia (-272,2°C). Znajduje zastosowanie w napełnianiu balonów, tworzeniu obojętnej atmosfery w spawalnictwie, w technice oświetleniowej oraz w mieszankach oddechowych dla nurków. Ciekły hel jest wykorzystywany w fizyce niskich temperatur. Hel jest drugim najpowszechniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie, powstającym w gwiazdach w wyniku syntezy termojądrowej przemieniającej wodór w hel z wydzieleniem ciepła i światła.

*ppm – parts per million (jedna część na milion, odpowiada 1 mg na kilogram).

Neon (Ne)

Symbol: Ne
Liczba atomowa: 10

Neon został odkryty w 1898 roku przez Williama Ramsaya i Morrisa W. Traversa. Nazwa pochodzi od greckiego słowa *neos* – nowy. Należy do grupy gazów szlachetnych. Neon jest bezbarwnym, bezwonnym i nierozpuszczalnym w wodzie gazem jednoatomowym. Choć nie otrzymano trwałych związków neonu, podczas wyładowań elektrycznych w mieszaninie helu i neonu powstają jony NeHe⁺ oraz jony neonu z jonami wodorowymi.

Neon jest trudnoskraplalny – pod normalnym ciśnieniem skrapla się w temperaturze -246,07°C, a zestala w -248,68°C. Występuje w powietrzu w niewielkich ilościach, zajmując piąte miejsce pod względem objętości po azocie, tlenie, argonie i dwutlenku węgla. Uzyskuje się go jako produkt uboczny procesu skraplania powietrza. Neon znajduje zastosowanie w lampach wyładowczych, reklamach świetlnych oraz oświetleniu pasów startowych, gdzie gaz zamknięty w rurze świeci po przyłożeniu odpowiedniego napięcia.

Argon (Ar)

Symbol: Ar
Liczba atomowa: 18

Argon jest bezbarwnym, bezwonnym i pozbawionym smaku gazem szlachetnym. Został odkryty w 1894 roku przez Sir Williama Ramsaya i Lorda Rayleigh’a. Argon jest najobficiej występującym gazem szlachetnym w atmosferze ziemskiej, stanowiąc około 1% objętości powietrza, co czyni go trzecim najliczniejszym gazem po azocie i tlenie.

Należy do grupy 18 (VIIIA) układu okresowego, nazywanej helowcami. Choć argon jest chemicznie bierny, może tworzyć związki chemiczne. Przemysłowo argon otrzymuje się poprzez destylację frakcyjną ciekłego powietrza jako produkt uboczny przy produkcji azotu i tlenu.

Argon znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebna jest atmosfera obojętna chemicznie. Stosuje się go w żarówkach, przy produkcji półprzewodników, w niektórych typach spawania łukowego oraz w laserach argonowych. Argon powstaje w złożach minerałów zawierających potas w wyniku przemiany promieniotwórczej potasu-40.

Krypton (Kr)

Symbol: Kr
Liczba atomowa: 36

Krypton został odkryty w 1898 roku przez Williama Ramsaya i Morrisa W. Traversa. Nazwa pochodzi od greckiego słowa *kryptos* – ukryty. Krypton jest gazem szlachetnym występującym w atmosferze jako niewielka domieszka (około 1,14 ppm). Jest bezbarwny, bezwonny, słabo rozpuszczalny w wodzie, o bardzo małej różnicy między temperaturą wrzenia (-152,3°C) a topnienia (-156,6°C).

Krypton jest pierwiastkiem bardzo mało aktywnym chemicznie, jednak udało się otrzymać jego związki z fluorem. Znane są nadkseniany metali, takie jak Na₄XeO₆, które są najsilniejszymi ze znanych utleniaczy. Krypton znajduje zastosowanie w świetlówkach, laserach oraz lampach używanych na pasach startowych.

Ksenon (Xe)

Symbol: Xe
Liczba atomowa: 54

Ksenon został odkryty w 1898 roku przez Williama Ramsaya i Morrisa W. Traversa. Nazwa pochodzi od greckiego słowa *xenos* – obcy. Występuje w atmosferze ziemskiej w minimalnych ilościach – na miliard atomów różnych gazów tylko 87 przypada na ksenon. Jest bezbarwny, bezwonny, pozbawiony smaku, około 4,5 razy cięższy od powietrza i słabo rozpuszcza się w wodzie.

Ksenon charakteryzuje się niewielką różnicą między temperaturą wrzenia (-108,1°C) a topnienia (-111,9°C). Jest pierwiastkiem bardzo mało aktywnym chemicznie, jednak udało się otrzymać jego związki z fluorem i tlenem. Nadkseniany metali, takie jak Na₄XeO₆, są najsilniejszymi ze znanych utleniaczy.

Ksenon znajduje zastosowanie w żarówkach oświetleniowych dużej mocy, lampach błyskowych oraz w wyładowaniach wysokociśnieniowych, które emitują jaskrawe, białe światło.

Radon (Rn)

Symbol: Rn
Liczba atomowa: 86

Radon jest pierwiastkiem o liczbie atomowej 86 i symbolu Rn. Został odkryty przez Friedricha Dorna w 1900 roku. Nazwa pochodzi od odkrytego wcześniej radu – czasami radon nazywany jest emanacją radu. Jest najrzadszym z gazów szlachetnych oraz najcięższym gazem szlachetnym, około 7,5 razy cięższym od powietrza.

Radon jest jedynym promieniotwórczym gazem występującym w przyrodzie. Można go znaleźć w kieszeniach powietrznych w skałach, zwłaszcza w okolicach złóż radu i uranu. Jest bezbarwny, bezwonny, stosunkowo łatwo skraplalny (temperatura wrzenia -62°C, topnienia -71°C).

Najtrwalszy izotop radonu to radon-222 o okresie połowicznego rozpadu wynoszącym 3,8 dnia. Najmniej trwały izotop to radon-215, którego okres połowicznego rozpadu wynosi zaledwie 2,3 ms. Radon znajduje zastosowanie w medycynie, przede wszystkim w leczeniu nowotworów.

Podsumowanie
Gazy szlachetne charakteryzują się wysoką stabilnością chemiczną, co wynika z pełnej oktetowej konfiguracji elektronowej. Choć są chemicznie bierne, niektóre z nich tworzą związki w określonych warunkach. Dzięki swoim unikalnym właściwościom, gazy szlachetne znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu, medycyny oraz technologii.