gazy szlachetne
Gazy szlachetne, helowce – pierwiastki chemiczne stanowiące 18 grupę układu okresowego, obejmującą bezbarwne i bezwonne gazy o cząsteczkach jednoatomowych – hel (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), ksenon (Xe) i radon (Rn). Gazy szlachetne występują w przyrodzie w stanie wolnym; obecne są w bardzo niewielkich ilościach w powietrzu, gazie ziemnym i niektórych minerałach; otrzymywane są w procesie destylacji frakcjonowanej skroplonego powietrza. Wykorzystywane są do napełniania lamp jarzeniowych, żarówek dużej mocy oraz laserów, do wytwarzania atmosfery chemicznie obojętnej, jako środki chłodzące (fizyka niskich temperatur oraz w radioterapii nowotworów).
Występowanie i historia odkrycia gazów szlachetnych
Gazy szlachetne (helowce) są pierwiastkami chemicznymi stanowiącymi 18 grupę układu okresowego, w skład której wchodzi hel (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), ksenon (Xe) i radon (Rn). Gazy szlachetne występują w przyrodzie w stanie wolnym; ich niewielkie ilości znajdują się w powietrzu, gazie ziemnym i niektórych minerałach. Niektóre helowce stanowią składniki wód mineralnych (np. neon, radon). Hel jest jednym z głównych pierwiastków wchodzących w skład gwiazd i materii międzygwiezdnej.
Hel, pierwszy z poznanych gazów szlachetnych, odkryty został przez francuskiego astronoma P.J. Janssena podczas analizy spektralnej atmosfery Słońca w 1868 r., obecność helu na Ziemi została stwierdzona po raz pierwszy w minerale promieniotwórczym, uraninicie, przez brytyjskiego fizyka i chemika W. Ramsaya w 1895 r., który przyczynił się również do odkrycia w powietrzu argonu w 1894 r. (wraz z brytyjskim fizykiem J.W. Rayleighem) oraz neonu, kryptonu i ksenonu w 1898 r. (wraz z angielskim chemikiem M.W. Traversem). Radon odkryty został przez niemieckiego fizyka Friedricha Ernsta Dorna w 1900 r.
Otrzymywanie gazów szlachetnych
Gazy szlachetne (z wyjątkiem radonu) otrzymywane są ze skroplonego powietrza w wyniku destylacji frakcjonowanej – procesu wykorzystującego różnice w temperaturach wrzenia poszczególnych składników powietrza, dzięki czemu następuje rozdział tej mieszaniny na frakcje o różnej lotności. Początkowe frakcje zawierają pierwiastki o najniższej temperaturze wrzenia (hel i neon), kolejne frakcje zawierają odpowiednio azot, argon oraz tlen; końcowe frakcje zawierają gazy szlachetne o najwyższych temperaturach wrzenia (krypton i ksenon). Hel na skalę przemysłową otrzymywany jest głównie z gazu ziemnego. Radon otrzymywany jest w wyniku reakcji promieniotwórczego rozpadu pierwiastków (radu, toru i uranu).
Właściwości fizyczne gazów szlachetnych
Gazy szlachetne są bezbarwnymi i bezwonnymi gazami o cząsteczkach jednoatomowych. Pierwiastki te są bardzo trudne do skroplenia; ulegają temu procesowi w bardzo niskich temperaturach. Hel cechuje się najniższą temperaturą wrzenia spośród wszystkich znanych substancji, wynoszącą -268,95°C. Hel w stanie ciekłym występuje w dwóch odmianach, jako hel I o właściwościach zwykłej cieczy oraz hel II (hel nadciekły) cechujący się bardzo niską lepkością i bardzo dobrą przewodnością cieplną (nadprzewodnik ciepła).
Gazy szlachetne w stanie stałym tworzą struktury w postaci sieci o gęstym ułożeniu atomów. Hel cechuje się siecią o układzie heksagonalnym, pozostałe helowce (neon, argon, krypton, ksenon, radon) posiadają sieć regularną płasko (ściennie) centrowaną. Pierwiastki te cechują się niskim ciepłem parowania i topnienia oraz niskimi temperaturami wrzenia i topnienia; związane jest to z bardzo słabymi oddziaływaniami pomiędzy ich atomami. Temperatura wrzenia helowców wzrasta wraz ze wzrostem ich liczby atomowej.
Właściwości chemiczne gazów szlachetnych
Gazy szlachetne charakteryzują się najmniejszą aktywnością chemiczną spośród wszystkich pierwiastków układu okresowego i wyjątkowo trudno wchodzą w reakcje chemiczne. Wiąże się to ze szczególnie trwałą konfiguracją elektronową, wynikającą z całkowitego zapełnienia zewnętrznej powłoki elektronowej helowców przez elektrony walencyjne – dwa elektrony (dublet elektronowy) u helu lub osiem elektronów (oktet elektronowy) u pozostałych pierwiastków tej grupy. Helowce nie tworzą ponadto trwałych jonów dodatnich (duża wartość energii jonizacji) oraz jonów ujemnych (ujemne powinowactwo elektronowe).
Reaktywność chemiczna gazów szlachetnych wzrasta wraz ze wzrostem ich liczby atomowej; w reakcje chemiczne najłatwiej wchodzą ciężkie gazy szlachetne (krypton, ksenon, radon). Argon (Ar) tworzy klatraty z wodą – Ar₆(H₂O)₄₆ i hydrochinonem – Ar(hydrochinon)₃. Krypton (Kr) reaguje z fluorem tworząc difluorek kryptonu (KrF₂) i fluorowodorem tworząc fluorowodorek kryptonu (HKrF); znane są również hydraty, klatraty oraz połączenia z innymi helowcami. Ksenon (Xe) tworzy związki z fluorem, np. difluorek ksenonu (XeF₂), tetrafluorek ksenonu (XeF₄), chlorem – dichlorek ksenonu (XeCl₂) i tlenem – tritlenek ksenonu (XeO₃), oraz związki koordynacyjne, np. heksafluoroplatynian ksenonu (XePtF₆). Radon (Rn) tworzy związki z fluorem – fluorek radonu (RnF₂), tlenem – tritlenek radonu (RnO₃); występuje także w formie klatratów z wodą i fenolem.
Zastosowanie gazów szlachetnych
Gazy szlachetne wykorzystywane są do napełniania lamp jarzeniowych (hel, neon), żarówek dużej mocy (argon, krypton), laserów (hel, neon, ksenon) i fotograficznych lamp błyskowych (ksenon). Gazy szlachetne używane są również do wytwarzania atmosfery chemicznie obojętnej niezbędnej w procesie wytopu cyrkonu lub tytanu (hel, argon), a także w fizyce niskich temperatur jako środki chłodzące (neon).
Hel stanowi używany jest do wypełniania balonów i jest głównym składnikiem mieszaniny gazów wypełniających butle do głębokiego nurkowania (80% helu, 20% tlenu). Nietrwałe jony helu (He⁺) oraz promieniotwórczy izotop kryptonu (⁸⁵Kr) używane są w analizie powierzchni ciał stałych. Radon wykorzystywany jest w radioterapii nowotworów.
