Vzácné plyny

KONCEPT

Podél krajního pravého sloupce periodické tabulky prvků se nachází skupina známá jako vzácné plyny: helium, neon, argon, krypton, xenon a radon. Kdysi se jim také říkalo vzácné plyny, protože vědci se domnívali, že nejsou schopny reagovat s jinými prvky. Přestože jsou tyto plyny vzácné, jsou součástí každodenního života, což dokazuje helium v balónech, neon v reklamních tabulích – a škodlivý radon v některých amerických domácnostech.

JAK TO FUNGUJE

Definice vzácných plynů

Periodická tabulka prvků je uspořádána podle počtu protonů v jádře atomu daného prvku (atomové číslo), zároveň je však tabulka uspořádána tak, že prvky s podobnými vlastnostmi jsou seskupeny dohromady. To je případ skupiny 8, která se někdy nazývá skupina 18, což je soubor nekovů známých jako vzácné plyny. Šest vzácných plynů tvoří helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) a radon (Rn). Jejich atomová čísla jsou 2, 10, 18, 36, 54 a 86.

Několik charakteristik, kromě jejich umístění v periodické tabulce, definuje vzácné plyny. Je zřejmé, že všechny jsou plyny, což znamená, že tvoří kapaliny nebo pevné látky pouze při extrémně nízkých teplotách – teplotách, kterých se alespoň na Zemi obvykle dosahuje pouze v laboratoři. Jsou bezbarvé, bez zápachu a chuti a také jednoatomové – to znamená, že existují jako jednotlivé atomy, nikoli v molekulách. (Naproti tomu atomy kyslíku – dalšího plynu, který však nepatří do této skupiny – se obvykle spojují do molekuly O2.)

Nízká reaktivita

Existuje důvod, proč se atomy vzácných plynů obvykle nespojují: jednou z charakteristických vlastností „rodiny“ vzácných plynů je jejich nízká chemická reaktivita. Místo toho, aby reagovaly s jinými prvky nebo se s nimi spojovaly, mají vzácné plyny tendenci zůstávat oddělené – odtud název „vzácný“, který znamená někoho nebo něco, co je takříkajíc vyčleněno z davu. Kvůli své zjevné nereaktivitě byly vzácné plyny – známé také jako vzácné plyny – kdysi označovány jako inertní plyny.

Nebylo zjištěno, že by se helium, neon a argon spojovaly s jinými prvky za vzniku sloučenin. V roce 1962 se však anglickému chemikovi Neilu Bartlettovi (1932-) podařilo připravit sloučeninu xenonu s platinou a fluorem (XePtF6), čímž byla vyvrácena představa, že vzácné plyny jsou zcela „inertní“. Od té doby byla vyvinuta řada sloučenin xenonu s jinými prvky, zejména s kyslíkem a fluorem. Fluor byl také použit k vytvoření jednoduchých sloučenin s kryptonem a radonem.

Naproti tomu vzácné plyny charakterizuje nízká reaktivita – namísto nulové reaktivity, jak se dříve soudilo. Jedním z faktorů určujících reaktivitu prvku je jeho elektronová konfigurace a elektrony vzácných plynů jsou uspořádány tak, že znemožňují vazbu s jinými prvky.

VYUŽITÍ V REÁLNÉM ŽIVOTĚ

Oddělení vzácných plynů

HELIUM.

Helium je v mnoha ohledech neobvyklý prvek – v neposlední řadě proto, že je to jediný prvek, který byl poprvé identifikován ve Sluneční soustavě dříve, než byl objeven na Zemi. To je významné, protože prvky na Zemi jsou stejné jako ty, které se nacházejí ve vesmíru: je to tedy více než jen pokus o poetické vyznění, když vědci říkají, že lidé i svět kolem nich jsou stvořeni z „materiálu hvězd“.

V roce 1868 byl francouzský astronom Pierre Janssen (1824-1907) v Indii, aby pozoroval úplné zatmění Slunce. Jako pomůcku při pozorování použil spektroskop, přístroj pro analýzu spektra světla vyzařovaného objektem. To, co Janssenův spektroskop ukázal, bylo překvapivé: žlutá čára ve spektru, kterou nikdy předtím neviděl a která zřejmě naznačovala přítomnost dosud neobjeveného prvku. Janssen ho nazval „helium“ podle řeckého boha Hélia neboli Apollóna, kterého starověcí lidé spojovali se Sluncem.

Janssen se o své poznatky podělil s anglickým astronomem sirem Josephem Lockyerem (1836-1920), který měl díky své práci v oblasti analýzy světelných vln světovou proslulost. Také Lockyer se domníval, že to, co Janssen viděl, je nový prvek, a o několik měsíců později pozoroval stejné neobvyklé spektrální čáry. V té době byl spektroskop stále ještě novým vynálezem a mnoho členů světové vědecké komunity pochybovalo o jeho užitečnosti, a proto navzdory Lockyerově pověsti zpochybňovali existenci tohoto „nového“ prvku. Ještě za jejich života se však ukázalo, že Janssen a Lockyer měli pravdu.

NEON, ARGON, KRYPTON A XENON.

Museli si však počkat čtvrt století. V roce 1893 zaujala anglického chemika sira Williama Ramsaye (1852-1916) přítomnost záhadné bubliny plynu, která zůstala po spojení dusíku z atmosféry s kyslíkem. Tohoto jevu si více než sto let předtím všiml také anglický fyzik Henry Cavendish (1731-1810), ale Cavendish nedokázal nabídnout žádné vysvětlení. Ramsay měl naproti tomu k dispozici pozorování anglického fyzika Johna Williama Strutta, lorda Rayleigha (1842-1919).

Do té doby se vědci domnívali, že vzduch se skládá pouze z kyslíku, oxidu uhličitého a vodní páry. Rayleigh si však všiml, že když byl ze vzduchu extrahován dusík po procesu odstranění těchto ostatních složek, měl o něco vyšší hustotu než dusík připravený chemickou reakcí. Ve světle svých vlastních pozorování dospěl Ramsay k závěru, že zatímco dusík získaný chemickou reakcí byl čistý, dusík extrahovaný ze vzduchu obsahoval stopové množství neznámého plynu.

Ramsay se mýlil pouze v jednom ohledu: s dusíkem nebyl skryt jeden plyn, ale pět. Aby mohli tyto plyny izolovat, vystavili Ramsay a Rayleigh vzduch kombinaci vysokého tlaku a nízké teploty, což umožnilo, aby se různé plyny vyvařily při různých teplotách. Jedním z těchto plynů bylo helium – první potvrzení existence tohoto prvku na Zemi – ale ostatní čtyři plyny byly dosud neznámé. Řecké kořeny názvů těchto čtyř plynů odrážely údiv vědců nad objevem těchto těžko dostupných prvků: neos (nový), argos (v činnosti), kryptos (skrytý) a xenon (cizí).

RADON.

Německý fyzik Friedrich Dorn (1848-1916), inspirován studiemi polsko-francouzské fyzičky a chemičky Marie Curie (1867-1934) týkajícími se prvku radium a jevu radioaktivity (objevila tento prvek a vymyslela druhý termín), se radiem začal zabývat. Při studiu tohoto prvku zjistil, že vyzařuje radioaktivní plyn, který nazval „vyzařování radia“. Nakonec si však uvědomil, že to, co vzniká, je nový prvek. Byl to první jasný důkaz toho, že se jeden prvek může stát jiným procesem radioaktivního rozpadu.

Ramsay, který spolu s Rayleighem získal v roce 1904 Nobelovu cenu za práci o vzácných plynech, dokázal zmapovat spektrální čáry nového prvku a určit jeho hustotu a atomovou hmotnost. O několik let později, v roce 1918, mu jiný vědec jménem C. Schmidt dal název „radon“. Vzhledem k jeho chování a konfiguraci elektronů řadili chemici radon mezi tzv. inertní plyny ještě další půlstoletí – až do Bartlettovy přípravy sloučenin xenonu v roce 1962.

Přítomnost vzácných plynů na Zemi

V ATMOSFÉŘE.

Ačkoli se vzácné plyny nacházejí v minerálech a meteoritech na Zemi, jejich největší zastoupení je v atmosféře planety. Předpokládá se, že se do ovzduší uvolňovaly již dávno jako vedlejší produkt rozpadu ze strany radioaktivních materiálů v zemské kůře. V atmosféře je argon „nejhojnější“ – ve srovnatelném měřítku, vzhledem k tomu, že „vzácné plyny“ jsou z definice vzácné.

Dusík tvoří asi 78 % zemské atmosféry a kyslík 21 %, což znamená, že tyto dva prvky tvoří plných 99 % vzduchu nad Zemí. Argon je s 0,93 % až na vzdáleném třetím místě. Zbylých 0,07 % tvoří vodní pára, oxid uhličitý, ozón (O3) a stopy vzácných plynů. Tyto plyny jsou přítomny v tak malém množství, že se jejich údaje obvykle neuvádějí v procentech, ale spíše v částech na milion (ppm). Koncentrace neonu, helia, kryptonu a xenonu v atmosféře jsou 18, 5, 1 a 0,09 ppm.

V PŮDĚ.

Radon v atmosféře je prakticky zanedbatelný, což je vzhledem k jeho radioaktivním vlastnostem štěstí. Jen málo Američanů vlastně o jeho existenci vůbec vědělo až do roku 1988, kdy americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) vydala zprávu, v níž odhadovala, že přibližně deset milionů amerických domů má potenciálně škodlivé množství radonu. To vyvolalo poplach a koncem 80. a v 90. letech 20. století došlo k prudkému nárůstu prodeje detektorů radonu v domácnostech. Mezitím federální vláda dalšími zprávami zvýšila obavy a doporučila lidem, aby utěsnili své sklepy a větrali domy, pokud radon překročí určité hodnoty.

Řada vědců tvrzení vlády zpochybnila, přesto se zdá, že některé oblasti Spojených států jsou kvůli přítomnosti radonu v půdě poměrně vysoce rizikové. Zdá se, že tento prvek je nejhojnější v půdě obsahující vysoké koncentrace uranu. Pokud je radon přítomen v domě, který byl utěsněn proti povětrnostním vlivům za účelem zvýšení účinnosti topných a chladicích systémů, je pro obyvatele skutečně potenciálně nebezpečný.

Čínští vědci v 60. letech 20. století učinili zajímavý objev týkající se radonu a jeho využití v seismografii neboli oblasti věd o Zemi, která se zabývá studiem a předpovídáním zemětřesení. Z čínských zpráv vyplynulo, že hladina radonu v podzemních vodách těsně před zemětřesením výrazně stoupá. Od té doby Číňané sledují koncentrace radonu ve vodě a využívají tyto údaje k předpovídání zemětřesení.

Vylučování vzácných plynů.

Radon totiž není jediným vzácným plynem, který lze získat v důsledku radioaktivního rozpadu: v roce 1903 Ramsay a britský chemik Frederick Soddy (1877-1956) ukázali, že rozpadem uranu nebo radia vznikají atomy helia (částice beta). O několik let později anglický fyzik Ernest Rutherford (1871-1937) prokázal, že záření nesoucí kladný elektrický náboj (paprsky alfa) je ve skutečnosti proud atomů helia zbavených elektronu.

Mnoho vzácných plynů se získává zkapalněním vzduchu – to znamená jeho snížením na teplotu, při níž nabývá vlastností kapaliny, nikoli plynu. Řízením teploty zkapalněného vzduchu je možné dosáhnout bodu varu pro určitý vzácný plyn, a tím ho extrahovat, podobně jako se to dělalo při první izolaci těchto plynů v 90. letech 19. století.

JEDINEČNÁ SITUACE HELIA.

Helium je pozoruhodné tím, že zkapalní až při teplotě -272 °C (-457,6 °F), tedy těsně nad absolutní nulou. Absolutní nula je teplota, při které se pohyb atomů nebo molekul prakticky zastaví, ale pohyb atomů helia nikdy zcela neustane. Aby se helium zkapalnilo i při těchto nízkých teplotách, musí být vystaveno tlaku, který mnohonásobně převyšuje tlak působící v zemské atmosféře.

Vzhledem k těmto skutečnostem je obtížné získat helium ze vzduchu. Častěji se získává z vrtů zemního plynu, kde je přítomno v poměrně velkých koncentracích – mezi 1 % a 7 % zemního plynu. Většina zásob helia na Zemi patří Spojeným státům, kde se největší množství vrtů dodávajících helium nachází v Texasu, Oklahomě a Kansasu. Během druhé světové války Spojené státy využily tyto zásoby relativně levného helia k zajištění vztlaku pro flotilu vzducholodí používaných k průzkumu.

Je jedno místo s hojnými zásobami helia, ale v nejbližší době se neplánuje žádná těžební expedice. Tím místem je Slunce, kde jaderná fúze atomů vodíku vytváří helium. Zdá se, že helium je po vodíku nejhojnějším prvkem ze všech a tvoří 23 % celkové hmotnosti vesmíru. Proč je tedy tak obtížné ho na Zemi získat? Nejspíše proto, že je ve srovnání se vzduchem tak lehké; jednoduše odplouvá do vesmíru.

Použití vzácných plynů

RADON, ARGON, KRYPTON A XENON.

Ačkoli je radon známý především kvůli nebezpečí, které představuje pro lidský život a pohodu, má i užitečné využití. Jak bylo uvedeno výše, zdá se, že jeho přítomnost v podzemních vodách poskytuje možný prostředek k předpovídání zemětřesení. Kromě toho se používá k odhalování úniků, měření průtoku a kontrole kovových svarů.

Jedním ze zajímavých využití argonu, a zejména stabilního izotopu argonu-40, jsou datovací techniky používané geology, paleontology a dalšími vědci zkoumajícími vzdálenou minulost. Když jsou vulkanické horniny vystaveny extrémně vysokým teplotám, uvolňují argon, a jak horniny chladnou, argon-40 se hromadí. Protože argon-40 vzniká radioaktivním rozpadem izotopu draslíku, draslíku-40, je množství vznikajícího argonu-40 úměrné rychlosti rozpadu draslíku-40. Ten má poločas rozpadu 1,3 miliardy let, což znamená, že polovina původně přítomného draslíku-40 se přemění na argon-40 až za 1,3 miliardy let. Pomocí argonu-40 byli paleontologové schopni odhadnout stáří vulkanických vrstev nad a pod fosilními a artefaktovými pozůstatky ve východní Africe.

Krypton má řadu specializovaných aplikací – například se mísí s argonem a používá se při výrobě oken s vysokou tepelnou účinností. Používá se v laserech, často se mísí s halogenem, jako je fluor. Kromě toho se někdy používá také v halogenových uzavřených světlometech. Mnoho fanoušků Supermana bylo nepochybně někdy v životě zklamáno, když zjistili, že nic takového jako „kryptonit“, fiktivní prvek, který způsobil, že Muž z oceli ztratil svou legendární sílu, neexistuje. Přesto má krypton – ten skutečný – využití, které je doslova nadpozemské. Při vývoji paliva pro výzkum vesmíru krypton soupeří se svým sesterským prvkem xenonem. Xenon nabízí lepší výkon, ale jeho výroba stojí asi desetkrát více; proto se krypton stal atraktivnějším palivem pro lety do vesmíru.

Kromě svého potenciálu jako kosmického paliva se xenon používá v obloukových lampách pro promítání filmů, ve vysokotlakých lampách pro ultrafialové záření a ve specializovaných bleskových žárovkách používaných fotografy. Jeden konkrétní izotop xenonu se používá ke sledování pohybu písku podél pobřeží. Xenon se také používá ve fyzice vysokých energií k detekci jaderného záření v bublinkových komorách. Neurologové dále experimentují s využitím xenonu v diagnostických postupech k objasnění rentgenových snímků lidského mozku.

NEON.

Neon je samozřejmě nejznámější díky svému využití v neonových nápisech, které při nočním osvětlení vytvářejí přitažlivou záři. Francouzský chemik Georges Claude (1870-1960), kterého zaujal Ramsayho objev neonu, prováděl pokusy, které v roce 1910 vedly k vývoji neonového světla. Toto první neonové světlo byla jednoduše skleněná trubice naplněná neonovým plynem, který po nabití elektřinou zářil jasně červenou barvou.

Claude nakonec zjistil, že smícháním jiných plynů s neonem vzniknou různé barvy světla. Experimentoval také s variacemi tvarů skleněných trubic, aby vytvořil písmena a obrázky. Ve 20. letech 20. století přišlo neonové světlo do módy a je populární dodnes. Moderní neonové lampy jsou obvykle vyrobeny z plastu, nikoli ze skla, a škála barev je mnohem větší než v Claudově době: mění se nejen plynová náplň, ale i povlak uvnitř trubice, což vede k různým barvám z celého spektra.

Ačkoli je neonový nápis jeho nejznámějším použitím, neon se používá k mnoha dalším věcem. Neonové zářivky se často používají k indikaci nastavení zapnutí/vypnutí na panelech elektronických přístrojů a lehké neonové lampy se nacházejí na různých strojích od počítačů až po regulátory napětí. Ve skutečnosti první praktická barevná televize vyrobená v roce 1928 používala neonovou trubici k výrobě červené barvy v přijímači. Zelená barva pocházela ze rtuti, ale modré světlo v této první barevné televizi pocházelo z jiného vzácného plynu, helia.

HELIUM.

Hélium je samozřejmě všeobecně známé pro své použití v balónech – jak pro velké vzducholodě, tak pro balóny, které poskytly radost a zábavu mnoha malým dětem. Ačkoli je helium jako prostředek pro zajištění vztlaku vzducholodí mnohem dražší než vodík, vodík je extrémně hořlavý a po nechvalně známém výbuchu vzducholodi Hindenburg v roce 1937 se helium stalo preferovaným médiem pro vzducholodě. Jak již bylo uvedeno, armáda Spojených států amerických během druhé světové války hojně využívala vzducholodě plněné heliem.

Použití helia pro vztlak je jednou z nejvýznamnějších aplikací tohoto vzácného plynu, ale zdaleka ne jedinou. Ve skutečnosti nejenže lidé používali helium ke vznášení v balónech, ale potápěči ho používají i ke klesání pod hladinu oceánu. V této situaci se helium samozřejmě nepoužívá k zajištění vztlaku, ale jako prostředek ochrany před stavem souvisejícím s potápěním, který je známý jako „ohnutí“, k němuž dochází, když dusík v krvi bublá, když potápěč stoupá k hladině. Helium se ve vzduchových nádržích potápěčů mísí s kyslíkem, protože se v krvi nerozpouští tak snadno jako dusík.

Mezi nejzajímavější aplikace helia patří jeho mimořádně nízký bod mrazu. Helium hraje významnou roli ve vědě o nízkých teplotách známé jako kryogenika a našlo uplatnění ve výzkumu týkajícím se supravodivosti: využití velmi nízkých teplot k vývoji materiálů, které vedou elektrickou energii s mnohem větší účinností než běžné vodiče. V blízkosti absolutní nuly se helium mění na velmi neobvyklou kapalinu, která se nepodobá žádné známé látce, protože nemá měřitelný odpor při proudění. To znamená, že by mohlo vést elektrický proud stokrát účinněji než měděný vodič.

KDE SE DOVÍTE VÍCE

„Chemie vzácných plynů“ (webová stránka). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (13. května 2001).

„Domácí úkol: Přírodní vědy: Chemie: Plyny“ Channelone.com (webová stránka). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (12. května 2001).

Knapp, Brian J.; David Woodroffe; David A. Hardy. Prvky. Danbury, CT: Grolier Educational, 2000.

Mebane, Robert C. a Thomas R. Rybolt. Air and Other Gases. Ilustrace Anni Matsick. New York: Twenty-First Century Books, 1995.

„Noble Gases“ Xrefer.com (webové stránky). <http://www.xrefer.com/entry/643259> (13. května 2001).

Vzácné plyny. Praxair (webové stránky). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (13. května 2001).

Stwertka, Albert. Supravodiče: Neodolatelná budoucnost. New York: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Fakta o radonu a azbestu. Ilustroval Ian Moores. New York: F. Watts, 1990.

.