CONCEPT
元素周期表の右端の列には、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンという希ガスと呼ばれる一団があります。 希ガスとは、他の元素と反応しない気体のことで、かつては不活性ガスと呼ばれていた。 気球のヘリウム、標識のネオン、そしてアメリカの一部の家庭で発生する有害なラドンなど、希少なガスではあるが、これらのガスは日常生活の一部である。
HOW IT WORKS
希ガスの定義
元素周期表は、ある元素の原子核にある陽子の数（原子番号）で並んでいますが、似たような性質を持つ元素をグループ分けして並べています。 8族は、18族と呼ばれることもあり、希ガスと呼ばれる非金属の集まりがそうである。 希ガスとは、ヘリウム（He）、ネオン（Ne）、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）、ラドン（Rn）の6つの気体のことである。 原子番号はそれぞれ、2、10、18、36、54、86である。
周期表上の位置とは別に、いくつかの特徴が希ガス類を定義している。 つまり、少なくとも地球上では、通常実験室でしか実現できないような極低温で、液体または固体を形成する。 また、無色、無臭、無味であり、単原子である。つまり、分子ではなく、個々の原子として存在する。 (対照的に、同じ気体である酸素の原子は、このグループには含まれませんが、通常は結合して分子 O2 を形成します。)
Low Reactivity
希ガス原子が結合しない傾向があるのは、理由があります：希ガス「ファミリー」の特徴として、化学反応性がないことが挙げられます。 他の元素と反応したり、結合したりするよりも、むしろ、他の元素から離れている傾向があるため、「貴い」という名前が付けられました。 7088>
実際、ヘリウム、ネオン、アルゴンは、他の元素と結合して化合物を形成することが確認されていない。 しかし、1962年にイギリスの化学者Neil Bartlett（1932-）がキセノンと白金、フッ素との化合物（XePtF6）の合成に成功し、希ガスが完全に「不活性」であるという考えを覆すことに成功した。 それ以来、キセノンと他の元素、特に酸素やフッ素との化合物が数多く開発された。
しかしながら、以前考えられていたような反応性がないのではなく、反応性が低いことが希ガスの特徴である。 元素の反応性を支配する要因の一つはその電子配置であり、希ガスの電子は他の元素との結合を阻害するように配置されているのである。
REAL-LIFE APPLICATIONS
Isolation of the Noble Gases
HELIUM.
ヘリウムは多くの点で珍しい元素ですが、それは、地球上で発見される前に太陽系で最初に識別された唯一の元素であることがその主な理由です。 地球上の元素は宇宙で発見されたものと同じであるため、科学者が人間や周囲の世界は「星の材料」からできていると言うのは、単なる詩的な響きを狙ったものではありません。 彼は観測を助けるために、分光器という、ある物体が発する光のスペクトルを分析する装置を使いました。 スペクトルの中に、これまで見たこともないような黄色い線があり、それは未発見の元素の存在を示しているようだったのだ。 ヤンセンはこの元素を、古代人が太陽と結びつけていたギリシャ神話のヘリオス（アポロ）にちなんで「ヘリウム」と名付けました
ヤンセンはこの成果を、光の波の分析で世界的に有名だったイギリスの天文学者ジョセフ・ロッキー卿（1836～1920）と共有しました。 ロッカイヤーもヤンセンが見たものを新元素と考え、数ヵ月後、同じように異常なスペクトル線を観測している。 当時、分光器はまだ新しい発明であり、世界中の科学者の多くがその有用性を疑っていたため、ロッキーの評価とは裏腹に、この「新元素」の存在を疑ったのである。 7088>
NEON, ARGON, KRYPTON, AND XENON.
しかし、彼らは四半世紀も待たねばならなかった。 1893年、イギリスの化学者ウィリアム・ラムジー（Sir William Ramsay, 1852-1916）は、大気中の窒素と酸素が結合したときに残る不思議な気泡の存在に興味を持ちました。 この現象は、1世紀以上も前にイギリスの物理学者ヘンリー・キャベンディッシュ（1731〜1810）も指摘していたものであるが、キャベンディッシュは何の説明もできなかった。 一方、ラムゼイは、イギリスの物理学者レイリー卿ジョン・ウィリアム・ストラット（1842～1919年）の観測結果を参考にしていました。 しかし、レイリー卿は、空気から他の成分を取り除いて窒素を取り出した場合、化学反応で取り出した窒素よりもわずかに密度が高くなることに気づいていた。 このことから、ラムゼイは、化学反応から得られる窒素が純粋であるのに対し、空気から取り出した窒素には未知のガスが微量に含まれていると判断したのです。 ラムジーとレイリーがこれらのガスを分離するために、空気を高圧と低温の組み合わせで処理し、さまざまなガスが異なる温度で沸騰するようにしたのである。 そのうちの1つがヘリウムで、この元素が地球上に存在することが初めて確認されたが、他の4つの気体は未知のものだった。 ネオス（新しい）、アルゴス（活発な）、クリプトス（隠れた）、キセノン（見知らぬ）というギリシャ語の語源を持つこの4つの気体の名前は、発見が困難だったこれらの元素を発見した科学者の驚きを表しています。
ポーランド系フランス人の物理学者・化学者マリー・キュリー（1867-1934）のラジウム元素と放射能現象に関する研究（彼女は元素を発見し、後者の言葉を作った）に触発されて、ドイツの物理学者フリードリヒ・ドルン（1848-1916）はラジウムに魅了されるようになりました。 彼はラジウムが放射性ガスを出すことを発見し、これを「ラジウム発散」と名付けた。 しかし、やがて彼は、それが新元素であることに気づいた。
ラムジーは、レイリーとともに希ガスの研究で1904年にノーベル賞を受賞しており、新元素のスペクトル線を描き、その密度と原子量を決定することができた。 数年後の1918年、C.シュミットという別の科学者が、この元素に “ラドン “という名前を付けた。 その挙動と電子の配置から、化学者はラドンを「不活性ガス」と呼び、1962年にバートレットがキセノン化合物を調製するまで、さらに半世紀にわたって分類し続けた。 地殻中の放射性物質が崩壊する際の副産物として、大昔に大気中に放出されたと考えられています。
地球の大気の約 78% が窒素、21% が酸素で、この 2 つの元素が地球上の空気の 99% を占めていることになる。 アルゴンは0.93%で、3番目に位置する。 残りの0.07%は、水蒸気、二酸化炭素、オゾン（O3）、微量の希ガスで構成されている。 これらのガスは非常に微量であるため、通常はパーセンテージではなく、ppm（百万分の一）単位で表示される。 大気中のネオン、ヘリウム、クリプトン、キセノンの濃度はそれぞれ18、5、1、0.09ppmです。
In the Soil.
大気中のラドンはほとんど無視できますが、これは放射性物質の性質を考えると、幸いなことです。 1988 年に米国環境保護庁 (EPA) が、米国の約 1,000 万の家庭に潜在的に有害なラドンレベルがあるとする報告書を発表するまで、その存在を知っているアメリカ人はほとんどいなかったのです。 これをきっかけに、1980年代後半から1990年代にかけて、家庭用ラドン測定器の売れ行きが好調に推移した。
多くの科学者が政府の主張に異議を唱えているが、米国のいくつかの地域は土壌中のラドンの存在により比較的高い危険にさらされているようである。 この元素は、高濃度のウランを含む土壌に最も多く含まれるようです。
1960年代の中国の科学者は、ラドンとその地震学への応用、すなわち地震を研究し予測する地球科学の分野に関して、興味深い発見をしました。 中国の報告によると、地下水中のラドン濃度は地震の直前にかなり上昇することがわかりました。 それ以来、中国は水中のラドン濃度をモニターし、このデータを地震予知に利用している。
希少ガスの抽出
実際、ラドンは放射性崩壊の結果として得られる唯一の希少ガスではない。 その数年後、イギリスの物理学者アーネスト・ラザフォード（1871-1937）が、正の電荷を帯びた放射線（アルファ線）が、実は電子を奪われたヘリウム原子の流れであることを証明した。
希ガスの多くは、空気を液化して取り出す。
The UNIQUE SITUATION OF HELIUM.
Helium is remarkable, that it only liquies at the temperature of -457.6°F (-272°C), just above absolute zero.Helium is a lot of a level. 絶対零度とは、原子や分子の運動が事実上停止する温度だが、ヘリウム原子の運動は完全に停止することはない。 7088>
このような事情から、空気からヘリウムを取り出すことは難しい。 ヘリウムは天然ガスの1%から7%という比較的高い濃度で存在するため、天然ガス井戸から採取されることが多い。 ヘリウムの供給源は、テキサス州、オクラホマ州、カンザス州などの米国に多く存在する。 第二次世界大戦中、アメリカはこの比較的安価なヘリウムの供給を利用して、偵察用の飛行船群に浮力を供給しました。
ヘリウムの供給が豊富な場所が1つありますが、すぐに採掘の計画があるわけではありません。 それは太陽で、水素原子の核融合によってヘリウムが生成されます。 ヘリウムは水素の次に豊富な元素であり、宇宙の全質量の23％を占めている。 では、なぜ地球上では入手が困難なのでしょうか？ 7088>
Applications for the Noble Gases
RADON, ARGON, KRYPTON, AND XENON.
The Radon is primarily known for the hazards poses to human life and well-being, but it has useful applications.
Thanks for the Nobles Gasesは、ラドンが人間の生命と健康にもたらす危険について主に知られていますが、ラドンには有用な用途があります。 前述のように、地下水中のラドンの存在は、地震を予測する可能性のある手段を提供するように思われる。
アルゴン、特に安定同位体であるアルゴン40の興味深い用途の1つは、地質学者、古生物学者、その他の遠い過去を研究する科学者が使用する年代測定技術にあります。 火山岩が高温にさらされるとアルゴンが放出され、それが冷えるとアルゴン40が蓄積されます。 アルゴン40はカリウムの同位体であるカリウム40の放射性崩壊によって生成されるため、アルゴン40の生成量はカリウム40の崩壊速度に比例する。 カリウム40の半減期は13億年で、カリウム40の半分がアルゴン40になるには13億年かかることになります。 アルゴン40を使って、古生物学者は東アフリカの化石や遺物の上下にある火山層の年代を推定することができました。
クリプトンには多くの特殊な用途があり、たとえばアルゴンと混合して熱効率の高い窓の製造に使われています。 レーザーでは、フッ素のようなハロゲンと混合して使用されることが多い。 また、ハロゲンのシールドビームヘッドライトに使用されることもある。 スーパーマンが伝説的な強さを失う原因となった「クリプトナイト」という架空の元素が存在しないことを知り、がっかりしたファンも多いのではないだろうか。 しかし、本物のクリプトンは、文字通りこの世のものとは思えないような用途がある。 宇宙開発用燃料の開発では、クリプトンは姉妹元素であるキセノンと競合している。 7088>
宇宙用燃料としての可能性に加え、キセノンは映画フィルム投影用のアーク灯、高圧紫外線ランプ、写真家が使う特殊なフラッシュバルブに使われている。 また、キセノンの同位体は、海岸線の砂の動きを追跡するために利用されている。 また、高エネルギー物理学の分野では、バブルチャンバー内で核放射線を検出するためにキセノンが使用されています。 さらに、神経科学者は、人間の脳のX線画像を明確にするための診断手順でキセノンを使用する実験を行っています。
NEON.
ネオンは、もちろん、夜に点灯すると目を引く光を生み出すネオンサインへの応用で最もよく知られている。 ラムゼイのネオンの発見に興味を持ったフランスの化学者ジョルジュ・クロード（1870-1960）は、1910年にネオンライトを開発するための実験を行った。 最初のネオンライトは、ガラス管にネオンガスを封入し、電気を流すと真っ赤に光るというものだった
クロードはやがて、ネオンに他の気体を混ぜるとさまざまな色の光が出ることを発見する。 さらに、ガラス管の形状を変化させて文字や絵を描く実験も行った。 1920年代には、ネオンライトは流行し、現在でも人気がある。 ガスだけでなく、管の中のコーティングも変化させることで、スペクトル全体からさまざまな色を生み出している。 電子計器盤のオン／オフの表示にはネオングローランプがよく使われ、コンピュータから電圧調整器まで、さまざまな機械に軽量のネオンランプが使われています。 実は、1928年に発売された実用的なカラーテレビは、受信機の赤色をネオン管で表現していた。 7088>
HELIUM.
もちろんヘリウムは、大きな飛行船や多くの小さな子供たちに喜びと楽しみを与えてくれた風船に使われていることで広く知られています。 ヘリウムは飛行船に浮力を与える手段として水素よりもはるかに高価ですが、水素は非常に燃えやすいため、1937年の飛行船ヒンデンブルグの爆発事故以来、ヘリウムが飛行船の媒体として好まれるようになったのです。 先に述べたように、第二次世界大戦中、米軍はヘリウムを充填した飛行船を大量に使用した。
浮力としてのヘリウムの使用は、この希ガスの最も顕著な用途の1つであるが、それだけでは到底ない。 実際、人々はヘリウムを使って風船で上に行っただけでなく、ダイバーはヘリウムを使って海面下に降りています。 もちろん、ヘリウムは浮力としてではなく、潜水病（血液中の窒素が気泡となって浮上する病気）を予防するために使うのである。 ヘリウムは窒素ほど血液に溶け込まないため、ダイバーの空気タンクに酸素と一緒に入れられています。 ヘリウムは極低温科学として知られる低温科学で重要な役割を果たし、超伝導に関する研究にも応用されています。 ヘリウムは絶対零度に近づくと、流体としての抵抗がゼロになるという、これまでに知られていた物質とは異なる極めて珍しい液体に変化する。 これは、銅線の何百倍もの効率で電流を流すことができることを意味します。
Where to learn more
The Chemistry of the Rare Gases (Web サイト). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (2001 年 5 月 13 日).
「宿題。 サイエンス。 Chemistry: Gases” Channelone.com (Web サイト). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (2001年5月12日).
Knapp, Brian J.; David Woodroffe; David A. Hardy. Elements. Danbury, CT: Grolier Educational, 2000.
Mebane, Robert C. and Thomas R. Rybolt. 空気とその他の気体. アンニ・マティックによる挿絵。 ニューヨーク。 Twenty-First Century Books, 1995.
“Noble Gases” Xrefer.com (Web サイト). <http://www.xrefer.com/entry/643259> (May 13, 2001).
Rare Gases. Praxair (Web サイト). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (2001年5月13日).
Stwertka, Albert. 超伝導体。 超伝導体：抗しがたい未来. ニューヨーク: F. Watts, 1991.
Taylor, Ron. ラドンとアスベストの事実. イラスト：Ian Moores. New York: F. ワッツ，1990.
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