Nemesgázok

KONCEPT

A periódusos rendszer jobb szélső oszlopában található a nemesgázok csoportja: hélium, neon, argon, kripton, xenon és radon. Ezeket a ritka gázoknak is nevezett csoportokat egykor inert gázoknak hívták, mivel a tudósok úgy vélték, hogy képtelenek reakcióba lépni más elemekkel. Bár ritkák, ezek a gázok mégis a mindennapi élet részei, amit a léggömbökben lévő hélium, a jelzőtáblákban lévő neon – és a káros radon egyes amerikai otthonokban – is bizonyít.

HOGYAN MŰKÖDIK

A nemesgázok meghatározása

Az elemek periódusos rendszerét az adott elem esetében az atommagban lévő protonok száma (az atomszám) szerint rendezik, ugyanakkor a táblázatot úgy is rendezik, hogy a hasonló tulajdonságokkal rendelkező elemeket csoportosítják. Ilyen a 8. csoport, amelyet néha 18. csoportnak is neveznek, a nemfémek nemesgázok néven ismert csoportja. A hat nemesgáz a hélium (He), a neon (Ne), az argon (Ar), a kripton (Kr), a xenon (Xe) és a radon (Rn). Atomszámuk 2, 10, 18, 36, 54 és 86.

A nemesgázokat a periódusos rendszerben elfoglalt helyükön kívül több tulajdonságuk is meghatározza. Nyilvánvaló, hogy mindegyikük gáz, ami azt jelenti, hogy csak rendkívül alacsony hőmérsékleten képeznek folyadékot vagy szilárd anyagot – olyan hőmérsékleten, amelyet a Földön legalábbis általában csak laboratóriumban érnek el. Színtelenek, szagtalanok és íztelenek, valamint egyatomosak – ami azt jelenti, hogy nem molekulákban, hanem önálló atomokban léteznek. (Ezzel szemben az oxigén atomjai – egy másik gáz, bár nem tartozik ebbe a csoportba – általában egy molekulát, az O2-t alkotva egyesülnek.)

alacsony reakcióképesség

A nemesgáz-atomok nem egyesülnek: a nemesgáz-“család” egyik meghatározó jellemzője a kémiai reakcióképesség hiánya. Ahelyett, hogy más elemekkel reagálnának vagy kötődnének, a nemesgázok inkább különállóak maradnak – innen a “nemes” elnevezés, amely arra utal, hogy valaki vagy valami kiemelkedik a tömegből. Látszólagos reakcióképtelenségük miatt a nemesgázokat – más néven a ritka gázokat – egykor inert gázoknak nevezték.

A hélium, a neon és az argon ugyanis nem tudott más elemekkel vegyületeket képezni. Neil Bartlett (1932-) angol kémikusnak azonban 1962-ben sikerült előállítania a xenon vegyületét platinával és fluorral (XePtF6), és ezzel megdöntötte azt az elképzelést, hogy a nemesgázok teljesen “inertek”. Azóta a xenon számos vegyületét fejlesztették ki más elemekkel, leginkább oxigénnel és fluorral. A fluorból egyszerű vegyületeket képeztek kriptonnal és radonnal is.

Mindazonáltal a nemesgázokat alacsony reaktivitás jellemzi – ahelyett, hogy nem lenne reaktivitásuk, ahogy korábban gondolták. Az egyik tényező, amely egy elem reaktivitását meghatározza, az elektronkonfiguráció, és a nemesgázok elektronjai úgy vannak elrendezve, hogy nem kedveznek a más elemekkel való kötődésnek.

VALÓDI LÉLEK ALKALMAZÁSOK

A nemesgázok izolálása

HÉLIUM.

A hélium több szempontból is szokatlan elem – nem utolsósorban azért, mert ez az egyetlen elem, amelyet először a Naprendszerben azonosítottak, mielőtt a Földön felfedezték volna. Ez azért jelentős, mert a Földön ugyanolyan elemek találhatók, mint az űrben: így több mint költői hangvételű próbálkozás, amikor a tudósok azt mondják, hogy az ember, valamint az őt körülvevő világ “a csillagok anyagából készült.”

1868-ban egy Pierre Janssen (1824-1907) nevű francia csillagász Indiában járt, hogy megfigyeljen egy teljes napfogyatkozást. Megfigyeléseinek segítésére spektroszkópot használt, egy olyan műszert, amellyel egy objektum által kibocsátott fény spektrumát lehet elemezni. Amit Janssen spektroszkópja mutatott, az meglepő volt: egy korábban soha nem látott sárga vonalat a spektrumban, amely egy eddig fel nem fedezett elem jelenlétére utalt. Janssen “héliumnak” nevezte el a görög Héliosz vagy Apollón isten után, akit a régiek a Nappal hoztak összefüggésbe.

Janssen megosztotta eredményeit Sir Joseph Lockyer (1836-1920) angol csillagásszal, aki a fényhullámok elemzésével kapcsolatos munkásságáról volt világszerte ismert. Lockyer is úgy vélte, hogy amit Janssen látott, az egy új elem, és néhány hónappal később ő is megfigyelte ugyanezeket a szokatlan színképvonalakat. Abban az időben a spektroszkóp még új találmány volt, és a világ tudományos közösségének sok tagja kételkedett a hasznosságában, ezért Lockyer hírneve ellenére megkérdőjelezték ennek az “új” elemnek a létezését. Még életükben bebizonyosodott, hogy Janssennek és Lockyernek igaza volt.

NEON, ARGON, KRYPTON ÉS XENON.

Negyed évszázadot kellett azonban várniuk. 1893-ban Sir William Ramsay (1852-1916) angol kémikust egy titokzatos gázbuborék jelenléte kezdte izgatni, amely akkor maradt meg, amikor a légkörből származó nitrogént oxigénnel egyesítették. Ezt a jelenséget több mint egy évszázaddal korábban Henry Cavendish (1731-1810) angol fizikus is észrevette, de Cavendish nem tudott magyarázatot adni rá. Ramsay ezzel szemben John William Strutt angol fizikus, Lord Rayleigh (1842-1919) megfigyeléseire támaszkodhatott.

Addig a tudósok úgy vélték, hogy a levegő csak oxigénből, szén-dioxidból és vízgőzből áll. Rayleigh azonban észrevette, hogy amikor a levegőből az említett egyéb összetevők eltávolítása után nitrogént vonnak ki, annak sűrűsége valamivel nagyobb, mint a kémiai reakcióból előállított nitrogéné. Saját megfigyelései fényében Ramsay arra a következtetésre jutott, hogy míg a kémiai reakciókból nyert nitrogén tiszta, addig a levegőből kivont nitrogén nyomokban tartalmaz egy ismeretlen gázt.

Ramsay csak egy dologban tévedett: a nitrogénnel együtt nem egy, hanem öt gáz volt elrejtve. E gázok elkülönítése érdekében Ramsay és Rayleigh a levegőt magas nyomás és alacsony hőmérséklet kombinációjának tették ki, így a különböző gázok különböző hőmérsékleten felforrtak. Az egyik gáz a hélium volt – ez volt az első bizonyíték arra, hogy az elem létezik a Földön -, de a másik négy gáz korábban ismeretlen volt. A négy gáznak adott nevek görög gyökerei a tudósok csodálkozását tükrözték, hogy felfedezték ezeket a nehezen fellelhető elemeket: neosz (új), argosz (aktívan), kriptosz (rejtett) és xenon (idegen).

RADON.

Mária Curie (1867-1934) lengyel-francia fizikus és kémikusnak a rádium elemmel és a radioaktivitás jelenségével kapcsolatos tanulmányai által inspirálva (ő fedezte fel az elemet, és ő alkotta meg az utóbbi kifejezést), Friedrich Dorn (1848-1916) német fizikust is lenyűgözte a rádium. Az elemet tanulmányozva felfedezte, hogy radioaktív gázt bocsát ki, amelyet “rádium emanációnak” nevezett el. Végül azonban rájött, hogy egy új elem keletkezik. Ez volt az első egyértelmű bizonyíték arra, hogy az egyik elem a radioaktív bomlás folyamatán keresztül egy másik elemmé válhat.

Ramsay, aki Rayleigh-vel együtt 1904-ben Nobel-díjat kapott a nemesgázokkal kapcsolatos munkájáért, fel tudta térképezni az új elem színképvonalait, és meg tudta határozni a sűrűségét és az atomtömegét. Néhány évvel később, 1918-ban egy másik tudós, C. Schmidt adta neki a “radon” nevet. Viselkedése és elektronjainak konfigurációja miatt a kémikusok a radont még fél évszázadon át – egészen addig, amíg Bartlett 1962-ben el nem készítette a xenonvegyületeket – az úgynevezett “inert gázok” közé sorolták.

A ritka gázok jelenléte a Földön

A légkörben

A ritka gázok ugyan megtalálhatók a Föld ásványaiban és meteoritjaiban, de legnagyobb mértékben a bolygó légkörében vannak jelen. Úgy gondolják, hogy régen a földkéregben lévő radioaktív anyagok bomlásának melléktermékeként kerültek a levegőbe. A légkörben az argon a “leggazdagabb” – összehasonlításképpen, tekintve, hogy a “ritka gázok” definíció szerint ritkák.

A földi légkör 78%-át a nitrogén, 21%-át pedig az oxigén teszi ki, ami azt jelenti, hogy ez a két elem alkotja a Föld feletti levegő 99%-át. Az argon a távoli harmadik helyen áll 0,93%-kal. A fennmaradó 0,07%-ot vízgőz, szén-dioxid, ózon (O3) és nyomokban nemesgázok alkotják. Ezek olyan kis mennyiségben vannak jelen, hogy a rájuk vonatkozó számadatokat általában nem százalékban, hanem milliomodrészben (ppm) adják meg. A neon, a hélium, a kripton és a xenon koncentrációja a légkörben 18, 5, 1 és 0,09 ppm.

A TALAJBAN.

A radon a légkörben gyakorlatilag elhanyagolható, ami radioaktív tulajdonságait tekintve szerencsés dolog. Valójában kevés amerikai tudott a létezéséről egészen 1988-ig, amikor az Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége (EPA) közzétett egy jelentést, amelyben becslések szerint mintegy tízmillió amerikai otthonban volt potenciálisan káros radonszint. Ez rémületet keltett, és az 1980-as évek végén és az 1990-es években az otthoni radonérzékelők értékesítése fellendült. Eközben a szövetségi kormány további jelentésekkel fokozta az aggodalmakat, és azt tanácsolta az embereknek, hogy zárják le pincéjüket és szellőztessék ki otthonukat, ha a radon szintje meghalad bizonyos értékeket.

Számos tudós vitatta a kormány állításait, mégis úgy tűnik, hogy az Egyesült Államok egyes régiói viszonylag nagy kockázatnak vannak kitéve a talajban lévő radon jelenléte miatt. Úgy tűnik, hogy az elem leginkább a magas uránkoncentrációt tartalmazó talajokban fordul elő. Ha a radon jelen van egy olyan otthonban, amelyet a fűtési és hűtési rendszerek hatékonyságának javítása érdekében időjárásállóvá tettek, akkor valóban potenciálisan veszélyes lehet a lakókra.

Kínai tudósok az 1960-as években érdekes felfedezést tettek a radonnal és annak alkalmazásával kapcsolatban a szeizmográfiában, vagyis a földtudományoknak a földrengések tanulmányozásával és előrejelzésével foglalkozó területén. A kínai jelentések kimutatták, hogy a talajvíz radonszintje közvetlenül a földrengés előtt jelentősen megemelkedik. Azóta a kínaiak figyelik a víz radonkoncentrációját, és ezeket az adatokat földrengések előrejelzésére használják.

RADONGÁZOK KIVONÁSA.

A radon valójában nem az egyetlen ritka gáz, amely radioaktív bomlás eredményeként nyerhető: 1903-ban Ramsay és Frederick Soddy (1877-1956) brit vegyész kimutatta, hogy az urán vagy a rádium bomlása héliumatomok (béta-részecskék) keletkezésével jár. Néhány évvel később Ernest Rutherford (1871-1937) angol fizikus kimutatta, hogy a pozitív elektromos töltést hordozó sugárzás (alfasugarak) valójában egy elektrontól megfosztott héliumatomok áramlása.

A nemesgázok nagy részét a levegő cseppfolyósításával nyerik ki – azaz olyan hőmérsékletre csökkentik, amelyen a levegő inkább folyadék, mint gáz tulajdonságait veszi fel. A cseppfolyósított levegő hőmérsékletének szabályozásával el lehet érni egy adott nemesgáz forráspontját, és így kivonható, ahogyan azt az 1890-es években e gázok első izolálásakor is tették.

A HÉLIUM EGYEDI ÁLLAPOTA.

A hélium figyelemre méltó abban a tekintetben, hogy csak -457,6°F (-272°C) hőmérsékleten cseppfolyósodik, közvetlenül az abszolút nulla fok felett. Az abszolút nulla az a hőmérséklet, amelyen az atomok vagy molekulák mozgása gyakorlatilag megáll, de a héliumatomok mozgása soha nem szűnik meg teljesen. Ahhoz, hogy még ilyen alacsony hőmérsékleten is cseppfolyósítható legyen, a földi légkör által kifejtett nyomás sokszorosának kell kitenni.

Ezek ismeretében a héliumot nehéz kivonni a levegőből. Gyakrabban nyerik ki földgázkutakból, ahol viszonylag nagy koncentrációban van jelen – a földgáz 1-7%-a között. A Föld héliumkészletének nagy része az Egyesült Államokhoz tartozik, ahol a legtöbb héliumot szolgáltató kút Texasban, Oklahomában és Kansasban található. A második világháború alatt az Egyesült Államok kihasználta ezt a viszonylag olcsó héliumkészletet, hogy felhajtóerőt biztosítson a felderítésre használt léghajók flottájának.

Egyetlen helyen van bőséges héliumkészlet, de a közeljövőben nem terveznek bányászati expedíciót. Ez a hely a Nap, ahol a hidrogénatomok magfúziója során hélium keletkezik. Úgy tűnik, hogy a hidrogén után a hélium a legbőségesebb elem, amely a világegyetem teljes tömegének 23%-át teszi ki. Akkor miért olyan nehéz a Földön hozzájutni? Valószínűleg azért, mert a levegőhöz képest olyan könnyű; egyszerűen elszáll az űrbe.

A nemesgázok alkalmazásai

RADON, ARGON, KRYPTON ÉS XENON.

A radon elsősorban az emberi életre és jólétre jelentett veszélyeiről ismert, de vannak hasznos alkalmazásai is. Amint fentebb említettük, úgy tűnik, hogy a talajvízben való jelenléte a földrengések előrejelzésének lehetséges eszköze. Ezenkívül használják szivárgások felderítésére, áramlási sebességek mérésére és fémhegesztések vizsgálatára.

Az argon és különösen az argon-40 stabil izotóp egyik érdekes felhasználási területe a geológusok, paleontológusok és más, a távoli múltat vizsgáló tudósok által használt kormeghatározási technikák. Amikor a vulkanikus kőzetek rendkívül magas hőmérsékletnek vannak kitéve, argon szabadul fel, és ahogy a kőzetek lehűlnek, az argon-40 felhalmozódik. Mivel az argon-40 egy kálium-40 izotóp, a kálium-40 radioaktív bomlásával keletkezik, a keletkező argon-40 mennyisége arányos a kálium-40 bomlási sebességével. Ez utóbbi felezési ideje 1,3 milliárd év, ami azt jelenti, hogy 1,3 milliárd év kell ahhoz, hogy az eredetileg jelen lévő kálium-40 fele argon-40-vé alakuljon. Az argon-40 segítségével a paleontológusok meg tudták becsülni a kelet-afrikai vulkáni rétegek feletti és alatti fosszilis és tárgyi maradványok korát.

A kripton számos speciális alkalmazással rendelkezik – például argonnal keverve nagy hőhatékonyságú ablakok gyártásához használják. Lézerekben használják, gyakran keverik egy olyan halogénnel, mint a fluor. Ezenkívül néha a halogén zárt fényszórókban is használják. Superman sok rajongója kétségtelenül csalódottan tapasztalta valamikor életében, hogy nem létezik “kriptonit”, az a kitalált elem, amely miatt az Acélember elveszítette legendás erejét. Pedig a kriptonitnak – a valódi kriptonitnak – olyan alkalmazásai vannak, amelyek szó szerint nem evilágiak. Az űrkutatáshoz szükséges üzemanyag kifejlesztésében a kripton a testvérelemével, a xenonnal versenyez. A xenon jobb teljesítményt nyújt, de előállítása körülbelül tízszer többe kerül; így a kripton vonzóbbá vált, mint az űrrepülés üzemanyaga.

Az űrrepülési üzemanyagként való felhasználási lehetőségein kívül a xenont a mozgóképes filmek vetítéséhez használt ívlámpákban, a nagynyomású ultraibolya sugárzás lámpáiban és a fényképészek által használt speciális villanólámpákban használják. A xenon egy bizonyos izotópját a tengerparti homok mozgásának nyomon követésére használják. A xenont a nagyenergiájú fizikában is alkalmazzák a nukleáris sugárzás buborékkamrákban történő kimutatására. Továbbá az idegtudósok kísérleteznek a xenon felhasználásával a diagnosztikai eljárásokban az emberi agyról készült röntgenfelvételek tisztázására.

NEON.

A neon természetesen leginkább a neonreklámokban való alkalmazásáról ismert, amelyek éjszakai világításkor szemet gyönyörködtető ragyogást keltenek. Georges Claude francia vegyész (1870-1960), akit Ramsay neon felfedezése izgatott, olyan kísérleteket végzett, amelyek 1910-ben a neonfény kifejlesztéséhez vezettek. Ez az első neonlámpa egyszerűen egy neongázzal töltött üvegcső volt, amely elektromossággal feltöltve élénkvörös színben világított.

Claude végül felfedezte, hogy más gázok neonnal való keverése különböző színű fényt eredményez. Az üvegcsövek alakjának variálásával is kísérletezett, hogy betűket és képeket hozzon létre. Az 1920-as évekre a neonfény divatba jött, és ma is népszerű. A modern neonlámpák jellemzően nem üvegből, hanem műanyagból készülnek, és a színválaszték sokkal nagyobb, mint Claude idejében: nemcsak a gáztöltetet, hanem a cső belsejében lévő bevonatot is variálják, így a spektrum különböző színei érhetőek el.

Noha a neonjelzés a legismertebb alkalmazása, a neont sok minden másra is használják. A neon izzólámpákat gyakran használják az elektronikus műszerfalak be- és kikapcsolási beállításainak jelzésére, és könnyű neonlámpák találhatók a számítógépektől a feszültségszabályozókig terjedő gépeken. Sőt, az 1928-ban gyártott első gyakorlati színes televízió is neoncsövet használt a vörös szín előállítására a vevőkészülékben. A zöldet a higany adta, de a korai színes televízió kék fénye egy másik nemesgázból, a héliumból származott.

HÉLIUM.

A hélium természetesen széles körben ismert a léggömbökben való felhasználásáról – mind a nagy léghajókban, mind a léggömbökben, amelyek sok kisgyermeknek okoztak örömet és szórakozást. Bár a hélium sokkal drágább, mint a hidrogén, mint a léghajók felhajtóerejét biztosító eszköz, a hidrogén rendkívül gyúlékony, és a Hindenburg léghajó 1937-es hírhedt robbanása után a hélium lett a léghajók preferált közege. Mint korábban említettük, az Egyesült Államok hadserege a második világháború alatt széles körben használta a héliummal töltött léghajókat.

A hélium felhajtóerejének használata e nemesgáz egyik legjelentősebb alkalmazása, de messze nem az egyetlen. Valójában nemcsak az emberek használták a héliumot arra, hogy léggömbökkel felemelkedjenek, hanem a búvárok is használják a héliumot az óceán felszíne alá merüléshez. Ebben a helyzetben természetesen nem a felhajtóerő biztosítására használják a héliumot, hanem a búvárkodással összefüggő, “kanyarnak” nevezett állapot elleni védelemre, amely akkor következik be, amikor a vérben lévő nitrogén felbuborékosodik, amikor a búvár a felszínre emelkedik. A héliumot oxigénnel keverik a búvárok légtartályaiban, mert nem oldódik a vérben olyan könnyen, mint a nitrogén.

A hélium leglenyűgözőbb alkalmazásai közé tartozik a rendkívül alacsony fagyáspontja. A hélium jelentős szerepet játszott a kriogenika néven ismert alacsony hőmérsékletű tudományban, és alkalmazásra talált a szupravezetéssel kapcsolatos kutatásokban: a nagyon alacsony hőmérséklet felhasználása olyan anyagok kifejlesztésére, amelyek az elektromos energiát a közönséges vezetőknél sokkal nagyobb hatékonysággal vezetik. Az abszolút nulla fok közelében a hélium olyan szokatlan folyadékká alakul át, amely semmilyen ismert anyagtól nem különbözik, mivel nincs mérhető ellenállása az áramlásnak. Ez azt jelenti, hogy az elektromos áramot több százszor hatékonyabban tudná vezetni, mint egy rézhuzal.”

HOL TANULHATSZ TOVÁBBAT

“A ritka gázok kémiája” (weboldal). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (2001. május 13.).

“Házi feladat: Tudomány: Kémia: Gázok” Channelone.com (Web site). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (2001. május 12.).

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

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

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

Nemesgázok. Praxair (Weboldal). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (2001. május 13.).

Stwertka, Albert. Szupravezetők: Az ellenállhatatlan jövő. New York: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Tények a radonról és az azbesztről. Illusztrálta: Ian Moores. New York: Watts, 1990.

.