Ædelgasser

KONCEPT

Langs den yderste højre kolonne i det periodiske system af grundstoffer findes en gruppe, der kaldes ædelgasserne: helium, neon, argon, krypton, xenon og radon. De er også kendt som de sjældne gasser og blev tidligere kaldt inerte gasser, fordi forskerne mente, at de ikke kunne reagere med andre grundstoffer. Selv om de er sjældne, er disse gasser en del af hverdagen, som det fremgår af heliumet i balloner, neonet i skilte – og den skadelige radon i nogle amerikanske hjem.

Hvordan det fungerer

Definition af de ædle gasser

Det periodiske system af grundstoffer er ordnet efter antallet af protoner i atomets kerne for et givet grundstof (atomnummeret), men skemaet er også arrangeret på en sådan måde, at grundstoffer med lignende egenskaber er grupperet sammen. Det er tilfældet med gruppe 8, som undertiden kaldes gruppe 18, en samling af ikke-metaller, der er kendt som ædelgasserne. De seks ædelgasser er helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) og radon (Rn). Deres atomnumre er henholdsvis 2, 10, 18, 36, 54 og 86.

Flere egenskaber, ud over deres placering i det periodiske system, definerer ædelgasserne. Naturligvis er de alle gasser, hvilket betyder, at de kun danner væsker eller faste stoffer ved ekstremt lave temperaturer – temperaturer, som i hvert fald på Jorden normalt kun opnås i et laboratorium. De er farveløse, lugt- og smagløse og er monatomare, hvilket betyder, at de eksisterer som individuelle atomer i stedet for i molekyler. (I modsætning hertil kombineres oxygenatomer – en anden gas, som dog ikke hører til denne gruppe – normalt for at danne et molekyle, O2.)

Lav reaktivitet

Der er en grund til, at ædelgasatomer ikke har tendens til at kombinere sig: et af de definerende kendetegn ved ædelgas-“familien” er deres manglende kemiske reaktivitet. I stedet for at reagere med eller binde sig til andre grundstoffer har ædelgasserne en tendens til at forblive adskilt fra hinanden – deraf navnet “ædel”, der antyder en person eller noget, der er adskilt fra mængden, så at sige. På grund af deres tilsyneladende manglende reaktivitet var ædelgasserne – også kendt som de sjældne gasser – engang kendt som de inerte gasser.

Det er nemlig ikke blevet konstateret, at helium, neon og argon kombinerer sig med andre grundstoffer for at danne forbindelser. I 1962 lykkedes det imidlertid den engelske kemiker Neil Bartlett (1932-) at fremstille en forbindelse af xenon med platin og fluor (XePtF6), hvilket gjorde op med ideen om, at ædelgasserne var helt “inerte”. Siden da er der blevet udviklet talrige forbindelser af xenon med andre grundstoffer, især oxygen og fluor. Fluor er også blevet brugt til at danne simple forbindelser med krypton og radon.

Den lave reaktivitet – i stedet for ingen reaktivitet, som man tidligere havde troet – kendetegner de sjældne gasser. En af de faktorer, der styrer et grundstofs reaktivitet, er dets elektronkonfiguration, og elektronerne i ædelgasserne er anbragt på en sådan måde, at de modvirker binding med andre grundstoffer.

RELSKELIGE ANVENDELSER I DET REELLE LIV

Isolering af ædelgasserne

HELIUM.

Helium er et usædvanligt grundstof i mange henseender – ikke mindst fordi det er det eneste grundstof, der først blev identificeret i solsystemet, før det blev opdaget på Jorden. Det er vigtigt, fordi grundstofferne på Jorden er de samme som dem, der findes i rummet: Det er således mere end blot et forsøg på at lyde poetisk, når videnskabsfolk siger, at mennesker såvel som verden omkring dem er lavet af “stoffet fra stjernerne.”

I 1868 var en fransk astronom ved navn Pierre Janssen (1824-1907) i Indien for at observere en total solformørkelse. Til hjælp for sine observationer brugte han et spektroskop, et instrument til at analysere spektret af det lys, der udsendes af et objekt. Det, Janssens spektroskop viste, var overraskende: en gul linje i spektret, som aldrig var set før, og som syntes at indikere tilstedeværelsen af et hidtil ukendt grundstof. Janssen kaldte det “helium” efter den græske gud Helios eller Apollo, som de gamle mennesker forbandt med solen.

Janssen delte sine resultater med den engelske astronom Sir Joseph Lockyer (1836-1920), som havde et verdensomspændende ry for sit arbejde med at analysere lysbølger. Lockyer troede også, at det, Janssen havde set, var et nyt grundstof, og nogle få måneder senere observerede han de samme usædvanlige spektrallinjer. På det tidspunkt var spektroskopet stadig en ny opfindelse, og mange medlemmer af det verdensomspændende videnskabelige samfund tvivlede på dets anvendelighed, og derfor satte de, på trods af Lockyers ry, spørgsmålstegn ved eksistensen af dette “nye” grundstof. Alligevel fik Janssen og Lockyer ret i løbet af deres levetid.

NEON, ARGON, KRYPTON OG XENON.

De måtte dog vente et kvart århundrede. I 1893 blev den engelske kemiker Sir William Ramsay (1852-1916) fascineret af tilstedeværelsen af en mystisk gasboble, der var tilbage, når nitrogen fra atmosfæren blev kombineret med ilt. Dette fænomen var også blevet bemærket af den engelske fysiker Henry Cavendish (1731-1810) mere end et århundrede tidligere, men Cavendish kunne ikke give nogen forklaring. Ramsay havde derimod gavn af de observationer, som den engelske fysiker John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919), havde gjort.

Dengang troede forskerne, at luften kun bestod af ilt, kuldioxid og vanddamp. Rayleigh havde imidlertid bemærket, at når kvælstof blev udvundet af luft efter en proces, hvor disse andre bestanddele blev fjernet, havde det en lidt højere massefylde end kvælstof fremstillet ved en kemisk reaktion. I lyset af sine egne observationer konkluderede Ramsay, at mens nitrogen fremstillet ved kemiske reaktioner var rent, indeholdt nitrogen udvundet fra luft spor af en ukendt gas.

Ramsay tog kun fejl på én ting: skjult med nitrogenet var der ikke én gas, men fem. For at isolere disse gasser udsatte Ramsay og Rayleigh luften for en kombination af højt tryk og lav temperatur, hvilket lod de forskellige gasser koge af ved forskellige temperaturer. En af gasserne var helium – den første bekræftelse på, at grundstoffet eksisterede på Jorden – men de fire andre gasser var hidtil ukendte. De græske rødder i navnene på de fire gasser afspejlede forskernes undren over at opdage disse svært tilgængelige grundstoffer: neos (ny), argos (i aktiv), kryptos (skjult) og xenon (fremmed).

RADON.

Ispireret af den polsk-franske fysiker og kemiker Marie Curies (1867-1934) undersøgelser af grundstoffet radium og fænomenet radioaktivitet (hun opdagede grundstoffet og opfandt sidstnævnte begreb), blev den tyske fysiker Friedrich Dorn (1848-1916) fascineret af radium. Ved at studere grundstoffet opdagede han, at det afgav en radioaktiv gas, som han kaldte “radiumudstråling”. Til sidst indså han dog, at det, der blev produceret, var et nyt grundstof. Dette var det første klare bevis på, at et grundstof kunne blive til et andet gennem den radioaktive henfaldsproces.

Ramsay, der sammen med Rayleigh havde modtaget Nobelprisen i 1904 for sit arbejde med ædelgasserne, var i stand til at kortlægge det nye grundstofs spektrallinjer og bestemme dets massefylde og atommasse. Et par år senere, i 1918, gav en anden videnskabsmand ved navn C. Schmidt det navnet “radon”. På grund af dets opførsel og elektronernes konfiguration klassificerede kemikere radon blandt det, de fortsatte med at kalde “inerte gasser” i endnu et halvt århundrede – indtil Bartlett fremstillede xenonforbindelser i 1962.

Fordeling af de sjældne gasser på Jorden

I ATOMOSFÆREN.

Thiendom de sjældne gasser findes i mineraler og meteoritter på Jorden, er deres største forekomst i planetens atmosfære. Man mener, at de for længe siden blev frigivet i luften som et biprodukt af radioaktive materialers henfald i jordskorpen. I atmosfæren er argon den mest “rigelige” – i sammenligning, da “sjældne gasser” pr. definition er sjældne.

Stikstof udgør ca. 78% af Jordens atmosfære og ilt 21%, hvilket betyder, at disse to grundstoffer udgør 99% af luften over Jorden. Argon ligger på en fjern tredjeplads med 0,93 %. De resterende 0,07% består af vanddamp, kuldioxid, ozon (O3) og spor af ædelgasser. Disse er til stede i så små mængder, at tallene for dem typisk ikke angives i procent, men i stedet i ppm (parts per million). Koncentrationerne af neon, helium, krypton og xenon i atmosfæren er henholdsvis 18, 5, 1 og 0,09 ppm.

I BUNDEN.

Radon i atmosfæren er stort set ubetydelig, hvilket er en heldig ting i lyset af dens radioaktive kvaliteter. Kun få amerikanere kendte faktisk til dets eksistens indtil 1988, da USA’s Miljøbeskyttelsesagentur (EPA) offentliggjorde en rapport, der anslog, at omkring ti millioner amerikanske hjem havde potentielt skadelige radonniveauer. Det udløste en forskrækkelse, og i slutningen af 1980’erne og 1990’erne steg salget af radondetektorer til hjemmet voldsomt. I mellemtiden øgede den føderale regering bekymringen med yderligere rapporter og rådede folk til at forsegle deres kældre og ventilere deres hjem, hvis radonindholdet oversteg visse niveauer.

En række forskere har anfægtet regeringens påstande, men nogle regioner i USA synes at være udsat for en relativt høj risiko på grund af radon i jorden. Grundstoffet synes at være mest udbredt i jord, der indeholder høje koncentrationer af uran. Hvis radon er til stede i et hjem, der er blevet vejrisoleret for at forbedre effektiviteten af varme- og kølesystemer, er det faktisk potentielt farligt for beboerne.

Kinesiske forskere gjorde i 1960’erne en interessant opdagelse vedrørende radon og dets anvendelse i seismografi, eller det område af jordvidenskaberne, der beskæftiger sig med undersøgelse og forudsigelse af jordskælv. Radonniveauet i grundvandet, viste de kinesiske rapporter, stiger betydeligt lige før et jordskælv. Siden da har kineserne overvåget radonkoncentrationerne i vand og brugt disse data til at forudsige jordskælv.

GRAVNING AF RARE GASER.

Radon er faktisk ikke den eneste sjældne gas, der kan udvindes som følge af radioaktivt henfald: I 1903 viste Ramsay og den britiske kemiker Frederick Soddy (1877-1956), at nedbrydningen af enten uran eller radium resulterer i produktion af heliumatomer (beta-partikler). Få år senere viste den engelske fysiker Ernest Rutherford (1871-1937), at stråling med positiv elektrisk ladning (alfastråler) i virkeligheden er en strøm af heliumatomer, der er frataget en elektron.

Mange af ædelgasserne udvindes ved at gøre luft flydende – dvs. ved at reducere den til temperaturer, hvor den får egenskaber som en væske i stedet for en gas. Ved at kontrollere temperaturen i den flydende luft er det muligt at nå kogepunktet for en bestemt ædelgas og derved udvinde den, ligesom det blev gjort, da disse gasser først blev isoleret i 1890’erne.

HELIUMS UNIKKE SITUATION.

Helium er bemærkelsesværdigt, idet det først bliver flydende ved en temperatur på -272°C (-457,6°F), lige over det absolutte nulpunkt. Det absolutte nulpunkt er den temperatur, ved hvilken atomers eller molekylers bevægelse nærmest går i stå, men heliumatomers bevægelse ophører aldrig helt. For at gøre det flydende, selv ved disse lave temperaturer, skal det udsættes for et tryk, der er mange gange større end det tryk, som Jordens atmosfære udøver.

Det er derfor vanskeligt at udvinde helium fra luften. Det udvindes oftere fra naturgasbrønde, hvor det findes i relativt store koncentrationer – mellem 1 % og 7 % af naturgassen. Størstedelen af jordens heliumforsyning tilhører USA, hvor den største overflod af heliumleverende brønde findes i Texas, Oklahoma og Kansas. Under Anden Verdenskrig benyttede USA sig af denne forsyning af relativt billigt helium til at give opdrift til en flåde af luftskibe, der blev brugt til rekognoscering.

Der er ét sted med en rigelig forsyning af helium, men der er ingen planer om en mineekspedition i den nærmeste fremtid. Det sted er Solen, hvor kernefusionen af brintatomer skaber helium. Faktisk synes helium at være det mest rigelige grundstof af alle, efter brint, og udgør 23% af universets samlede masse. Hvorfor er det så så vanskeligt at få fat i det på Jorden? Højst sandsynligt fordi det er så let i forhold til luft; det svæver simpelthen ud i rummet.

Anvendelser for de ædle gasser

RADON, ARGON, KRYPTON OG XENON.

Og selv om radon primært er kendt for de farer, det udgør for menneskers liv og velbefindende, har det nyttige anvendelser. Som nævnt ovenfor synes dets tilstedeværelse i grundvandet at være et muligt middel til at forudsige jordskælv. Desuden bruges det til at opdage utætheder, måle strømningshastigheder og inspicere metalsvejsninger.

En interessant anvendelse af argon og især den stabile isotop argon-40 er i dateringsteknikker, der anvendes af geologer, palæontologer og andre forskere, der studerer den fjerne fortid. Når vulkanske bjergarter udsættes for ekstremt høje temperaturer, frigiver de argon, og efterhånden som bjergarterne afkøles, ophobes argon-40. Da argon-40 dannes ved det radioaktive henfald af en kaliumisotop, kalium-40, er den mængde argon-40, der dannes, proportional med henfaldshastigheden for kalium-40. Sidstnævnte har en halveringstid på 1,3 milliarder år, hvilket betyder, at det tager 1,3 milliarder år for halvdelen af det oprindeligt tilstedeværende kalium-40 at blive omdannet til argon-40. Ved hjælp af argon-40 har palæontologer været i stand til at estimere alderen af vulkanske lag over og under fossile og artefaktrester i Østafrika.

Krypton har en række specialiserede anvendelser – for eksempel blandes det med argon og anvendes til fremstilling af vinduer med høj varmeeffektivitet. Anvendes det i lasere, blandes det ofte med et halogen som f.eks. fluor. Desuden anvendes det også undertiden i halogenforseglede forlygter. Mange fans af Superman blev uden tvivl skuffede på et tidspunkt i deres liv, da de opdagede, at der ikke findes noget som “kryptonit”, det fiktive element, der fik manden af stål til at miste sin legendariske styrke. Men krypton – den ægte vare – har anvendelser, der bogstaveligt talt er helt utrolige. I udviklingen af brændstof til rumforskning er krypton i konkurrence med sit søsterelement, xenon. Xenon giver bedre ydeevne, men koster omkring ti gange mere at producere; derfor er krypton blevet mere attraktivt som brændstof til rumflyvning.

Ud over sit potentiale som brændstof til rumfart anvendes xenon i buelamper til filmprojektion, i højtrykslamper til ultraviolet stråling og i specielle blitzlamper, der anvendes af fotografer. En bestemt isotop af xenon anvendes til at spore sandets bevægelse langs en kystlinje. Xenon anvendes også i højenergifysik til detektering af nuklear stråling i boblekamre. Desuden eksperimenterer neurovidenskabsfolk med brugen af xenon i diagnostiske procedurer for at tydeliggøre røntgenbilleder af den menneskelige hjerne.

NEON.

Neon er naturligvis bedst kendt for sin anvendelse i neonskilte, som giver et iøjnefaldende lys, når de tændes om natten. Den franske kemiker Georges Claude (1870-1960), der var fascineret af Ramsays opdagelse af neon, foretog eksperimenter, som førte til udviklingen af neonlyset i 1910. Den første neonlampe var blot et glasrør fyldt med neongas, som lyste stærkt rødt, når det blev ladet med elektricitet.

Claude opdagede til sidst, at man ved at blande andre gasser med neon kunne opnå forskellige farver lys. Han eksperimenterede også med variationer i glasrørets former for at skabe bogstaver og billeder. I 1920’erne var neonlys kommet på mode, og det er stadig populært den dag i dag. Moderne neonlamper er typisk fremstillet af plastik i stedet for glas, og farvespektret er meget større end på Claudes tid: ikke kun gasfyldningen, men også belægningen inde i røret varieres, hvilket resulterer i en række forskellige farver fra hele spektret.

Selv om neonskiltet er den mest kendte anvendelse, bruges neon til mange andre ting. Neonglødelamper bruges ofte til at angive tænd/sluk-indstillinger på elektroniske instrumentpaneler, og lette neonlamper findes på maskiner lige fra computere til spændingsregulatorer. Det første praktiske farvefjernsyn, der blev produceret i 1928, brugte faktisk et neonrør til at producere den røde farve i modtageren. Grønt kom fra kviksølv, men det blå lys i det tidlige farvefjernsyn kom fra en anden ædelgas, nemlig helium.

HELIUM.

Helium er naturligvis kendt for sin anvendelse i balloner – både til store luftskibe og til de balloner, der har givet glæde og sjov til mange små børn. Selv om helium er meget dyrere end brint som middel til at give luftskibe opdrift, er brint ekstremt brandfarligt, og efter den berygtede eksplosion af luftskibet Hindenburg i 1937 blev helium det foretrukne medium til luftskibe. Som tidligere nævnt gjorde USA’s militær omfattende brug af heliumfyldte luftskibe under Anden Verdenskrig.

Anvendelsen af helium til opdrift er en af de mest fremtrædende anvendelser af denne ædelgas, men langt fra den eneste. Faktisk har folk ikke kun brugt helium til at stige op i balloner, men også dykkere bruger helium til at komme ned under havets overflade. I den situation bruges helium naturligvis ikke til at give opdrift, men som et middel til at beskytte mod den dykkerrelaterede tilstand, der er kendt som “the bends”, som opstår, når nitrogen i blodet bobler, når dykkeren stiger op til overfladen. Helium blandes med ilt i dykkerens luftflasker, fordi det ikke opløses i blodet så let som nitrogen.

En af de mest fascinerende anvendelser af helium har at gøre med dets usædvanligt lave frysepunkt. Helium har spillet en vigtig rolle i den lavtemperaturvidenskab, der er kendt som kryogenik, og har fundet anvendelse i forskning vedrørende superledning: brugen af meget lave temperaturer til at udvikle materialer, der leder elektrisk energi med langt større effektivitet end almindelige ledere. Tæt på det absolutte nulpunkt forvandler helium sig til en meget usædvanlig væske, der ikke ligner noget andet kendt stof, idet den ikke har nogen målbar modstand mod strømning. Det betyder, at den kan føre en elektrisk strøm hundredvis af gange mere effektivt end en kobbertråd.

Hvor man kan lære mere

“The Chemistry of the Rare Gases” (web site). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (13. maj 2001).

“Hjemmearbejde: Science: Kemi: Gasser” Channelone.com (websted). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (12. maj 2001).

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

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

“Noble Gases” Xrefer.com (Web site). <http://www.xrefer.com/entry/643259> (13. maj 2001).

Rare gasser. Praxair (websted). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (13. maj 2001).

Stwertka, Albert. Superconductors: Den uimodståelige fremtid. New York: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Fakta om radon og asbest. Illustreret af Ian Moores. New York: F. Watts, 1990.