Helowce
Helowce (gazy szlachetne) – pierwiastki chemiczne ostatniej, 18 (daw. 0 lub VIII głównej) grupy układu okresowego. Do pierwiastków tych zalicza się hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon. Prawdopodobnie gazem szlachetnym jest również syntetyczny pierwiastek oganeson.
Właściwości
Wszystkie helowce są bezbarwnymi, bezwonnymi, słabo rozpuszczającymi się w wodzie gazami. Mają niskie temperatury topnienia.
| Helowiec | Masa atomowa [u] | Temperatura topnienia [K]* | Temperatura wrzenia [K]* | Stan skupienia | Elektroujemność (w skali Allreda-Rochowa) | Konfiguracja elektronowa (podkreślono elektrony walencyjne) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Hel, He | 4 | –** | 4,22 | gaz | 5,50 | 1s2 |
| Neon, Ne | 20,18 | 24,56 | 27,07 | gaz | 4,84 | [He]2s22p6 |
| Argon, Ar | 39,95 | 83,80 | 87,30 | gaz | 3,20 | [Ne]3s23p6 |
| Krypton, Kr | 83,80 | 115,80 | 119,93 | gaz | 2,94 | [Ar]4s23d104p6 |
| Ksenon, Xe | 131,30 | 161,40 | 165,1 | gaz | 2,40 | [Kr]5s24d105p6 |
| Radon, Rn | (222)*** | 202 | 211,30 | gaz | 2,2 | [Xe]6s24f145d106p6 |
| Oganeson, Og | (294)*** | prawdopodobnie ciało stałe[a] | [Rn] 7s25f146d107p6 (przewidywana) |
*Pod ciśnieniem normalnym.
**Hel pod normalnym ciśnieniem nie przechodzi w stan stały nawet w najniższej osiągalnej temperaturze.
***Najtrwalszy znany izotop.
Pierwiastki te są wysoce niereaktywne. Wynika to z faktu, że nie zawierają one żadnych częściowo zapełnionych elektronami orbitali[b], które mogłyby uczestniczyć w tworzeniu wiązań chemicznych. W dół grupy powoli zwiększa się reaktywność tych pierwiastków. Spowodowane jest to tym, że zwiększa się ich rozmiar, a z nim odległość elektronów walencyjnych od środka jądra.
Pomimo bardzo niskiej reaktywności lżejszych helowców, znane są nietrwałe związki helu: cząsteczka He2[1], jon HeH+[2] i LiHe[3]. Na przełomie 2016/2017 doniesiono o otrzymaniu pierwszego stałego związku helu, Na2He, który jest trwały termodynamicznie pod ciśnieniem powyżej 113 GPa (ok. 1,1×106 atm). Tworzy kryształy o strukturze fluorytu[4].
Znany jest też związek argonu – fluorowodorek argonu, otrzymany w temperaturze około 40 K.
Krypton i ksenon tworzą większą liczbę związków, lecz są one często trudne do uzyskania i niekiedy nietrwałe w temperaturze pokojowej. Działając ksenonem na heksafluorek platyny Neil Bartlett (opierając się na wcześniejszym odkryciu wraz z Lohmannem heksafluoroplatynianu dioksygenylu) otrzymał trwały czerwonopomarańczowy związek, heksafluoroplatynian ksenonu.
Stosunkowo najbardziej reaktywny jest radon. Istnieje trwały chemicznie związek – fluorek radonu RnF2. Powstaje on z mieszaniny fluoru i radonu w temperaturze ok. 400 °C. Cząstka ta rozpada się jednak ze względu na radioaktywność radonu.
Hel, neon, argon i ksenon występują w niewielkich ilościach w powietrzu i dlatego podstawowym sposobem ich otrzymywania jest destylacja frakcyjna powietrza. Krypton i radon są produktami rozpadu promieniotwórczego uranu i toru, towarzyszą zwykle złożom rud tych metali, dzięki czemu można te złoża stosunkowo łatwo wykrywać.
Gazy szlachetne w niskich temperaturach tworzą kryształy związane słabymi oddziaływaniami van der Waalsa. Hel przy zerowym ciśnieniu nie krystalizuje nawet w temperaturach bliskich 0 K; dominującą rolę odgrywa tu energia drgań zerowych, która destabilizuje kryształ. Drgania zerowe powodują też zmniejszenie wartości energii kohezji kryształów w porównaniu z sumaryczną energią oddziaływań van der Waalsa. Ze względu na zależność energii drgań zerowych od masy to zmniejszenie jest tym większe, im mniejsza jest masa atomu (np. dla neonu zmniejsza ją o wartość 28%, a dla ksenonu – o 4%). Skutkuje to również różną wartością stałej sieci dla kryształów różnych izotopów danego gazu szlachetnego. Gazy szlachetne, z wyjątkiem helu, krystalizują w strukturze regularnej gęstego upakowania (fcc)[5].
Zastosowanie
Gazy szlachetne wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie potrzebna jest obojętna, beztlenowa atmosfera zapobiegająca reakcjom utleniania. Stosuje się je do napełniania żarówek, do prowadzenia reakcji wymagających obojętnych warunków i do spieniania tworzyw sztucznych.
Żaden z nich nie uczestniczy w procesach biologicznych, dlatego często używa się ich jako obojętnych gazów zapobiegających starzeniu się materiałów pochodzenia organicznego. Dla przykładu, oryginał Konstytucji oraz Deklaracji niepodległości Stanów Zjednoczonych przechowuje się w szczelnej gablocie wypełnionej helem.
Zobacz też
Uwagi
- ↑ Stały stan skupienia wynika z efektów relatywistycznych.
- ↑ Tzn. w stanie podstawowym wszystkie orbitale są albo wypełnione całkowicie, albo puste.
Przypisy
- ↑ W. Schöllkopf, J.P. Toennies. Nondestructive Mass Selection of Small van der Waals Clusters. „Science”. 266 (5189), s. 1345–1348, 1994. DOI: 10.1126/science.266.5189.1345. PMID: 17772840.
- ↑ Hogness, T. R., Lunn, E. G. The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis. „Physical Review”. 26 (1), s. 44–55, 1925. DOI: 10.1103/PhysRev.26.44.
- ↑ N. Tariq, N. Al Taisan, V. Singh, J.D. Weinstein. Spectroscopic detection of the LiHe molecule. „Phys Rev Lett”. 110 (15), s. 153201, 2013. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.153201. PMID: 25167262.
- ↑ Dong, Xiao, Oganov, Artem R., Goncharov, Alexander F., Stavrou, Elissaios i inni. A stable compound of helium and sodium at high pressure. „Nat Chem”. advance online publication, 2017. DOI: 10.1038/nchem.2716.
- ↑ Charles Kittel: Wstęp do fizyki ciała stałego. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999, s. 75–83. ISBN 83-01-12706-6.
| Pojedyncze atomy |
|
|---|---|
| Atomy w ciałach stałych | |
| Atomy w cieczach | |
| Atomy w gazach | |
| Uczeni |
Media użyte na tej stronie
Autor: New work Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew.de); original single images: Jurii, http://images-of-elements.com., Licencja: CC BY 3.0
Glowing noble gases in glass vials with low pressure inside. Power supply: 5 kV, 20 mA, 25 kHz.
Autor: Alchemist-hp www.pse-mendelejew.de, Licencja: CC BY-SA 2.0 de
Spectrum = gas discharge tubes: the noble gases: helium He, neon Ne, argon Ar, krypton Kr, xenon Xe. Used with 1,8kV, 18mA, 35kHz. ≈8" length.
Model of atom.
(c) Pslawinski, CC BY-SA 2.5
Image of a neon filled discharge tube shaped like the element’s atomic symbol "Ne". Example of neon lighting. The letter "N" is about 75 cm tall.