Helowce, gazy szlachetne – pierwiastki chemiczne ostatniej, 18. grupy układu okresowego (daw. 0 lub VIII głównej). Do pierwiastków tych zalicza się hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon. Prawdopodobnie helowcem jest również syntetyczny pierwiastek oganeson.
Właściwości
[edytuj | edytuj kod]Wszystkie helowce są bezbarwnymi, bezwonnymi, słabo rozpuszczającymi się w wodzie gazami. Mają niskie temperatury topnienia.
Helowiec | Masa atomowa [u] |
Temperatura topnienia [K][i] |
Temperatura wrzenia [K][i] |
Stan skupienia | Elektroujemność (w skali Allreda-Rochowa) |
Konfiguracja elektronowa |
---|---|---|---|---|---|---|
Hel, He | 4 | –[ii] | 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)[iii] | 202 | 211,30 | gaz | 2,2 | [Xe]6s24f145d106p6 |
Oganeson, Og | (294)[iii] | prawdopodobnie ciało stałe[a] | [Rn]7s25f146d107p6 (przewidywana) |
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 He
2[1], jon HeH+
[2] i LiHe[3]. Na przełomie 2016/2017 doniesiono o otrzymaniu pierwszego stałego związku helu, Na
2He, 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 RnF
2. 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
[edytuj | edytuj kod]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
[edytuj | edytuj kod]Uwagi
[edytuj | edytuj kod]- ↑ Stały stan skupienia wynika z efektów relatywistycznych.
- ↑ Tzn. w stanie podstawowym wszystkie orbitale są albo wypełnione całkowicie, albo puste.
Przypisy
[edytuj | edytuj kod]- ↑ W. Schöllkopf , J.P. Toennies , Nondestructive Mass Selection of Small van der Waals Clusters, „Science”, 266 (5189), 1994, s. 1345–1348, DOI: 10.1126/science.266.5189.1345, PMID: 17772840 (ang.).
- ↑ T.R. Hogness , E.G. Lunn , The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis, „Physical Review”, 26 (1), 1925, s. 44–55, DOI: 10.1103/PhysRev.26.44 (ang.).
- ↑ N. Tariq i inni, Spectroscopic detection of the LiHe molecule, „Physical Review Letters”, 110 (15), 2013, s. 153201, DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.153201, PMID: 25167262 (ang.).
- ↑ Xiao Dong i inni, A stable compound of helium and sodium at high pressure, „Nature Chemistry”, 2017, DOI: 10.1038/nchem.2716 (ang.).
- ↑ Charles Kittel , Wstęp do fizyki ciała stałego, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999, s. 75–83, ISBN 83-01-12706-6 .