Gazy szlachetne

KONCEPCJA

Wzdłuż skrajnie prawej kolumny układu okresowego pierwiastków znajduje się grupa znana jako gazy szlachetne: hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon. Znane również jako gazy szlachetne, kiedyś nazywano je gazami obojętnymi, ponieważ naukowcy uważali je za niezdolne do wchodzenia w reakcje z innymi pierwiastkami. Mimo że są rzadkie, gazy te są częścią codziennego życia, czego dowodem jest hel w balonach, neon w znakach – i szkodliwy radon w niektórych amerykańskich domach.

JAK TO DZIAŁA

Definicja gazów szlachetnych

Układ okresowy pierwiastków jest uporządkowany według liczby protonów w jądrze atomu dla danego pierwiastka (liczba atomowa), ale tabela jest również ułożona w taki sposób, że pierwiastki o podobnych cechach są zgrupowane razem. Tak jest w przypadku grupy 8, która czasami nazywana jest grupą 18, czyli zbioru niemetali znanych jako gazy szlachetne. Sześć gazów szlachetnych to helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), ksenon (Xe) i radon (Rn). Ich liczby atomowe są, odpowiednio, 2, 10, 18, 36, 54, i 86.

Kilka cech, oprócz ich umiejscowienia w układzie okresowym, określić gazy szlachetne. Oczywiście, wszystkie są gazami, co oznacza, że tylko tworzą ciecze lub ciała stałe w bardzo niskich temperaturach, które, na Ziemi przynajmniej, są zwykle osiągane tylko w laboratorium. Są bezbarwne, bezwonne i bez smaku, a także jednoatomowe – co oznacza, że istnieją jako pojedyncze atomy, a nie w cząsteczkach. (Dla porównania, atomy tlenu – inny gaz, ale nie w tej grupie – zwykle łączą się w cząsteczkę, O2.)

Niska reaktywność

Jest powód, dlaczego atomy gazów szlachetnych nie mają tendencję do łączenia: jedną z cech definiujących „rodziny” gazów szlachetnych jest ich brak reaktywności chemicznej. Zamiast reagować z innymi elementami lub łączyć się z nimi, gazy szlachetne mają tendencję do pozostawania w odosobnieniu – stąd nazwa „szlachetny”, oznaczająca kogoś lub coś, co wyróżnia się z tłumu, jak to było. Ze względu na ich pozorny brak reaktywności, gazy szlachetne – znany również jako rzadkie gazy – były kiedyś znane jako gazy obojętne.

Indeed, hel, neon i argon nie znaleziono połączyć się z innymi elementami, aby utworzyć związki. Jednak w 1962 roku angielski chemik Neil Bartlett (1932-) udało się przygotować związek ksenonu z platyny i fluoru (XePtF6), obalając w ten sposób pomysł, że gazy szlachetne były całkowicie „obojętne”. Od tego czasu opracowano wiele związków ksenonu z innymi pierwiastkami, przede wszystkim z tlenem i fluorem. Fluor został również wykorzystany do tworzenia prostych związków z kryptonem i radonem.

Niemniej jednak niska reaktywność – zamiast braku reaktywności, jak wcześniej sądzono – charakteryzuje gazy szlachetne. Jednym z czynników decydujących o reaktywności elementu jest jego konfiguracja elektronowa, a elektrony gazów szlachetnych są ułożone w taki sposób, aby zniechęcić do łączenia się z innymi elementami.

ZASTOSOWANIA W REAL-LIFE

Oddzielanie gazów szlachetnych

HEL.

Hel jest niezwykłym pierwiastkiem pod wieloma względami – nie tylko dlatego, że jest jedynym pierwiastkiem, który po raz pierwszy został zidentyfikowany w Układzie Słonecznym, zanim został odkryty na Ziemi. Jest to istotne, ponieważ pierwiastki na Ziemi są takie same jak te, które można znaleźć w przestrzeni kosmicznej: jest to zatem coś więcej niż tylko próba poetyckiego brzmienia, gdy naukowcy mówią, że ludzie, jak również świat wokół nich, są stworzeni z „materii gwiazd.”

W 1868 roku francuski astronom Pierre Janssen (1824-1907) był w Indiach, aby obserwować całkowite zaćmienie Słońca. Aby pomóc mu w jego obserwacjach, użył spektroskopu, instrumentu do analizy widma światła emitowanego przez obiekt. To, co pokazał spektroskop Janssena, było zaskakujące: żółtą linię w widmie, nigdy wcześniej nie widzianą, która zdawała się wskazywać na obecność nieodkrytego wcześniej pierwiastka. Janssen nazwał go „helem” po greckim bogu Heliosie, czyli Apollu, którego starożytni kojarzyli ze Słońcem.

Janssen podzielił się swoimi odkryciami z angielskim astronomem Sir Josephem Lockyerem (1836-1920), który cieszył się światową sławą dzięki swojej pracy w zakresie analizy fal świetlnych. Lockyer również wierzył, że to, co widział Janssen, to nowy pierwiastek, a kilka miesięcy później zaobserwował te same niezwykłe linie widmowe. W tym czasie spektroskop był wciąż nowym wynalazkiem i wielu członków światowej społeczności naukowej wątpiło w jego przydatność, dlatego też, pomimo reputacji Lockyera, kwestionowali istnienie tego „nowego” pierwiastka. Jednak jeszcze za ich życia Janssen i Lockyer dowiedli swojej racji.

NEON, ARGON, KRYPTON I XENON.

Musieli jednak czekać ćwierć wieku. W 1893 roku angielski chemik Sir William Ramsay (1852-1916) zaintrygował się obecnością tajemniczego bąbla gazu, który pozostał po połączeniu azotu z atmosfery z tlenem. Zjawisko to zostało zauważone przez angielskiego fizyka Henry’ego Cavendisha (1731-1810) ponad sto lat wcześniej, ale Cavendish nie potrafił go wyjaśnić. Ramsay, z drugiej strony, miał korzyści z obserwacji poczynionych przez angielskiego fizyka Johna Williama Strutta, Lorda Rayleigha (1842-1919).

Do tego czasu naukowcy wierzyli, że powietrze składa się tylko z tlenu, dwutlenku węgla i pary wodnej. Rayleigh zauważył jednak, że gdy azot został wyekstrahowany z powietrza po procesie usuwania innych składników, miał on nieco większą gęstość niż azot otrzymany w wyniku reakcji chemicznej. W świetle własnych obserwacji Ramsay doszedł do wniosku, że o ile azot otrzymany w wyniku reakcji chemicznych był czysty, o tyle azot wyekstrahowany z powietrza zawierał śladowe ilości nieznanego gazu.

Ramsay mylił się tylko pod jednym względem: w azocie ukryty był nie jeden gaz, lecz pięć. Aby wyodrębnić te gazy, Ramsay i Rayleigh poddali powietrze kombinacji wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury, pozwalając różnym gazom wrzeć w różnych temperaturach. Jednym z gazów był hel – pierwsze potwierdzenie, że pierwiastek ten istniał na Ziemi – ale pozostałe cztery gazy były wcześniej nieznane. Greckie korzenie nazw nadanych czterem gazom odzwierciedlały zdziwienie naukowców z powodu odkrycia tych trudnych do znalezienia pierwiastków: neos (nowy), argos (aktywny), kryptos (ukryty) i xenon (obcy).

RADON.

Zainspirowany badaniami polsko-francuskiej fizyczki i chemiczki Marii Curie (1867-1934) nad pierwiastkiem rad i zjawiskiem promieniotwórczości (odkryła pierwiastek i ukuła ten ostatni termin), niemiecki fizyk Friedrich Dorn (1848-1916) zafascynował się radem. Badając ten pierwiastek, odkrył, że emituje on radioaktywny gaz, który nazwał „emanacją radu”. W końcu jednak zdał sobie sprawę, że to, co jest produkowane, to nowy pierwiastek. Był to pierwszy wyraźny dowód na to, że jeden pierwiastek może stać się innym w procesie rozpadu radioaktywnego.

Ramsay, który wraz z Rayleigh’em otrzymał Nagrodę Nobla w 1904 roku za pracę nad gazami szlachetnymi, był w stanie odwzorować linie widmowe nowego pierwiastka oraz określić jego gęstość i masę atomową. Kilka lat później, w 1918 r., inny naukowiec, C. Schmidt, nadał mu nazwę „radon”. Ze względu na jego zachowanie i konfigurację elektronów chemicy zaliczyli radon do grupy, którą nadal nazywali „gazami obojętnymi” przez kolejne pół wieku – do czasu przygotowania przez Bartletta związków ksenonu w 1962 roku.

Obecność rzadkich gazów na Ziemi

W ATMOSFERY.

Chociaż rzadkie gazy można znaleźć w minerałach i meteorytach na Ziemi, ich największa obecność jest w atmosferze planety. Uważa się, że zostały one uwolnione do powietrza dawno temu jako produkt uboczny rozpadu materiałów radioaktywnych w skorupie ziemskiej. W atmosferze argon jest najbardziej „obfity” – w kategoriach porównawczych, biorąc pod uwagę fakt, że „gazy rzadkie” są z definicji rzadkie.

Atrogen stanowi około 78% ziemskiej atmosfery, a tlen 21%, co oznacza, że te dwa pierwiastki stanowią 99% powietrza nad Ziemią. Argon zajmuje odległe trzecie miejsce, z udziałem 0,93%. Pozostałe 0,07% składa się z pary wodnej, dwutlenku węgla, ozonu (O3) i śladowych ilości gazów szlachetnych. Są one obecne w tak małych ilościach, że liczby dla nich nie są zwykle przedstawiane w procentach, ale raczej w kategoriach części na milion (ppm). Stężenie neonu, helu, kryptonu i ksenonu w atmosferze wynosi odpowiednio 18, 5, 1 i 0,09 ppm.

W GLEBIE.

Radon w atmosferze jest praktycznie nieistotny, co jest szczęśliwą rzeczą, w świetle jego właściwości radioaktywnych. Niewielu Amerykanów, w rzeczywistości, nawet wiedziało o jego istnieniu aż do 1988 roku, kiedy Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (EPA) wydała raport szacujący, że około dziesięć milionów amerykańskich domów miało potencjalnie szkodliwe poziomy radonu. Wywołało to popłoch, a pod koniec lat 80. i w latach 90. sprzedaż domowych detektorów radonu gwałtownie wzrosła. Tymczasem rząd federalny zwiększył obawy o dodatkowe raporty, doradzając ludziom, aby uszczelnili swoje piwnice i przewietrzyli swoje domy, jeśli radon przekroczył pewne poziomy.

Liczba naukowców zakwestionowała roszczenia rządu, jednak niektóre regiony Stanów Zjednoczonych wydają się być w stosunkowo wysokim ryzykiem ze względu na obecność radonu w glebie. Pierwiastek ten wydaje się być najbardziej obfity w glebach zawierających wysokie stężenia uranu. Jeśli radon jest obecny w domu, który został uszczelniony w celu poprawy efektywności systemów ogrzewania i chłodzenia, jest rzeczywiście potencjalnie niebezpieczny dla mieszkańców.

Chińscy naukowcy w latach 60-tych dokonali ciekawego odkrycia dotyczącego radonu i jego zastosowania do sejsmografii, lub obszaru nauk o ziemi poświęconego badaniu i przewidywaniu trzęsień ziemi. Chińskie raporty wykazały, że poziom radonu w wodach gruntowych znacznie wzrasta tuż przed trzęsieniem ziemi. Od tego czasu Chińczycy monitorują stężenie radonu w wodzie i wykorzystują te dane do przewidywania trzęsień ziemi.

WYDOBYWANIE RARE GAZÓW.

Radon nie jest jedynym rzadkim gazem, który można otrzymać w wyniku rozpadu promieniotwórczego: w 1903 roku Ramsay i brytyjski chemik Frederick Soddy (1877-1956) wykazali, że rozpad uranu lub radu powoduje produkcję atomów helu (cząstek beta). Kilka lat później, angielski fizyk Ernest Rutherford (1871-1937) wykazał, że promieniowanie o dodatnim ładunku elektrycznym (promienie alfa) był w rzeczywistości strumień atomów helu pozbawionych elektronu.

Wiele gazów szlachetnych są wydobywane przez skraplanie powietrza, to znaczy, przez zmniejszenie go do temperatury, w której przyjmuje właściwości cieczy, a nie gazu. Kontrolując temperatury w skroplonym powietrzu, możliwe jest osiągnięcie punktu wrzenia danego gazu szlachetnego, a tym samym wydobycie go, podobnie jak to miało miejsce, gdy gazy te zostały po raz pierwszy wyizolowane w latach dziewięćdziesiątych XIX wieku.

UNIKALNA SYTUACJA HELU.

Hel jest niezwykły, ponieważ skrapla się tylko w temperaturze -457.6°F (-272°C), tuż powyżej zera bezwzględnego. Zero absolutne to temperatura, w której ruch atomów lub cząsteczek zatrzymuje się, ale ruch atomów helu nigdy całkowicie nie ustaje. Aby skroplić hel, nawet w tak niskich temperaturach, musi on być poddany ciśnieniu wielokrotnie wyższemu niż to, które panuje w ziemskiej atmosferze.

Biorąc pod uwagę te fakty, trudno jest pozyskać hel z powietrza. Częściej pozyskuje się go z odwiertów gazu ziemnego, gdzie występuje w stosunkowo dużych stężeniach – od 1% do 7% gazu ziemnego. Większość zasobów helu na Ziemi należy do Stanów Zjednoczonych, gdzie największe ilości odwiertów dostarczających hel znajdują się w Teksasie, Oklahomie i Kansas. Podczas II wojny światowej Stany Zjednoczone skorzystały z tego zasobu stosunkowo niedrogiego helu, aby zapewnić pływalność flocie sterowców używanych do zwiadu.

Jest jedno miejsce z obfitym zasobem helu, ale nie ma planów na ekspedycję górniczą w najbliższym czasie. Tym miejscem jest Słońce, gdzie w wyniku fuzji jądrowej atomów wodoru powstaje hel. W rzeczy samej, hel wydaje się być najbardziej obfitym pierwiastkiem ze wszystkich, zaraz po wodorze, stanowiąc 23% całkowitej masy wszechświata. Dlaczego więc jest on tak trudny do zdobycia na Ziemi? Najprawdopodobniej dlatego, że jest tak lekki w porównaniu z powietrzem; po prostu ulatuje w przestrzeń kosmiczną.

Zastosowania gazów szlachetnych

RADON, ARGON, KRYPTON I KENON.

Chociaż radon jest znany przede wszystkim z zagrożeń, jakie stwarza dla ludzkiego życia i dobrobytu, ma użyteczne zastosowania. Jak wspomniano powyżej, jego obecność w wodach gruntowych wydaje się zapewniać możliwe środki przewidywania trzęsień ziemi. Ponadto, jest on używany do wykrywania wycieków, pomiaru natężenia przepływu i kontroli spoin metalowych.

Jednym z interesujących zastosowań argonu, a w szczególności stabilnego izotopu argonu-40, są techniki datowania stosowane przez geologów, paleontologów i innych naukowców badających odległą przeszłość. Kiedy skały wulkaniczne poddawane są ekstremalnie wysokim temperaturom, uwalniają argon, a kiedy skały stygną, gromadzi się w nich argon-40. Ponieważ argon-40 powstaje w wyniku rozpadu radioaktywnego izotopu potasu, potasu-40, ilość tworzącego się argonu-40 jest proporcjonalna do tempa rozpadu potasu-40. Czas połowicznego rozpadu potasu-40 wynosi 1,3 miliarda lat, co oznacza, że potrzeba 1,3 miliarda lat, aby połowa pierwotnie obecnego potasu-40 przekształciła się w argon-40. Używając argonu-40, paleontolodzy byli w stanie oszacować wiek warstw wulkanicznych znajdujących się powyżej i poniżej szczątków skamielin i artefaktów we wschodniej Afryce.

Krypton ma wiele specjalistycznych zastosowań – na przykład jest mieszany z argonem i używany do produkcji okien o wysokim poziomie wydajności cieplnej. Używany w laserach, jest często mieszany z halogenem, takim jak fluor. Ponadto, jest również czasami używany w halogenowych reflektorach z zamkniętą wiązką światła. Wielu fanów Supermana, bez wątpienia, w pewnym momencie swojego życia było rozczarowanych odkryciem, że nie ma czegoś takiego jak „kryptonit”, fikcyjny element, który spowodował, że Człowiek ze Stali stracił swoją legendarną siłę. Jednak krypton – prawdziwy pierwiastek – ma zastosowania, które są dosłownie nie z tego świata. Podczas opracowywania paliwa do eksploracji kosmosu, krypton konkuruje ze swoim siostrzanym pierwiastkiem, ksenonem. Ksenon oferuje lepsze osiągi, ale jego produkcja kosztuje około dziesięć razy więcej; dlatego krypton stał się bardziej atrakcyjny jako paliwo do lotów kosmicznych.

Oprócz potencjału jako paliwo kosmiczne, ksenon jest używany w lampach łukowych do projekcji filmów kinowych, w wysokociśnieniowych lampach na promieniowanie ultrafioletowe oraz w specjalistycznych lampach błyskowych używanych przez fotografów. Jeden szczególny izotop ksenonu jest wykorzystywany do śledzenia ruchu piasku wzdłuż linii brzegowej. Ksenon jest również stosowany w fizyce wysokich energii do wykrywania promieniowania jądrowego w komorach pęcherzykowych. Ponadto, neurobiolodzy eksperymentują z wykorzystaniem ksenonu w procedurach diagnostycznych w celu wyjaśnienia obrazów rentgenowskich ludzkiego mózgu.

NEON.

Neon, oczywiście, jest najbardziej znany ze swojego zastosowania w neonach, które wytwarzają przyciągający wzrok blask, gdy są zapalone w nocy. Francuski chemik Georges Claude (1870-1960), zaintrygowany odkryciem neonu przez Ramsaya, przeprowadził eksperymenty, które doprowadziły do opracowania lampy neonowej w 1910 roku. Ta pierwsza lampa neonowa była po prostu szklaną rurką wypełnioną gazem neonowym, który świecił na jasnoczerwono po naładowaniu prądem elektrycznym.

Claude w końcu odkrył, że mieszanie innych gazów z neonem daje różne kolory światła. Eksperymentował również z odmianami kształtów szklanych rurek, aby tworzyć litery i obrazy. W latach dwudziestych XX wieku światło neonowe stało się modne i jest popularne do dziś. Nowoczesne lampy neonowe są zazwyczaj wykonane z plastiku, a nie ze szkła, a gama kolorów jest znacznie większa niż w czasach Claude’a: nie tylko wypełnienie gazem, ale także powłoka wewnątrz rurki jest zróżnicowana, co daje różnorodność kolorów z całego spektrum.

Chociaż neon jest najbardziej znanym zastosowaniem, neon jest używany do wielu innych rzeczy. Neonowe lampy jarzeniowe są często używane do wskazywania ustawień on/off na elektronicznych tablicach przyrządów, a lekkie lampy neonowe można znaleźć w maszynach, od komputerów po regulatory napięcia. W rzeczywistości, pierwszy praktyczny telewizor kolorowy, wyprodukowany w 1928 roku, wykorzystywał lampę neonową do wytwarzania czerwonego koloru w odbiorniku. Zielony pochodził z rtęci, ale niebieskie światło w tym wczesnym kolorowym telewizorze pochodziło z innego gazu szlachetnego, helu.

HEL.

Hel, oczywiście, jest powszechnie znany ze swojego zastosowania w balonach – zarówno w dużych sterowcach, jak i w balonach, które dostarczyły radości i zabawy wielu małym dzieciom. Choć hel jest znacznie droższy od wodoru jako środek zapewniający sterowcom pływalność, wodór jest niezwykle łatwopalny, a po niesławnej eksplozji sterowca Hindenburg w 1937 r. hel stał się preferowanym medium dla sterowców. Jak wspomniano wcześniej, wojsko Stanów Zjednoczonych szeroko wykorzystywane sterowców wypełnionych helem podczas II wojny światowej.

Użycie helu do pływalności jest jednym z najbardziej znanych zastosowań tego gazu szlachetnego, ale daleko od jedynego. W rzeczywistości, nie tylko ludzie używali helu, aby wznieść się w górę w balonach, ale nurkowie używają helu do schodzenia pod powierzchnię oceanu. W tej sytuacji, oczywiście, hel nie jest używany do zapewnienia pływalności, ale jako środek chroniący przed związanym z nurkowaniem stanem znanym jako „the bends”, który występuje, gdy azot we krwi bąbelkuje, gdy nurek wynurza się na powierzchnię. Hel jest mieszany z tlenem w zbiornikach powietrza nurka, ponieważ nie rozpuszcza się we krwi tak łatwo jak azot.

Jedne z najbardziej fascynujących zastosowań helu odnoszą się do jego wyjątkowo niskiej temperatury zamarzania. Hel odegrał znaczącą rolę w nauce o niskich temperaturach, znanej jako kriogenika, i znalazł zastosowanie w badaniach dotyczących nadprzewodnictwa: wykorzystanie bardzo niskich temperatur do opracowania materiałów, które przewodzą prąd elektryczny z dużo większą wydajnością niż zwykłe przewodniki. W pobliżu zera absolutnego hel zamienia się w niezwykłą ciecz, niepodobną do żadnej innej znanej substancji, ponieważ nie ma mierzalnego oporu przy przepływie. Oznacza to, że może on przewodzić prąd elektryczny setki razy wydajniej niż drut miedziany.

GDZIE DOWIEDZIEĆ SIĘ WIĘCEJ

„Chemia gazów rzadkich” (strona internetowa). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (13 maja, 2001).

„Praca domowa: Nauki ścisłe: Chemia: Gazy” Channelone.com (serwis internetowy). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (May 12, 2001).

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

Mebane, Robert C. and Thomas R. Rybolt. Powietrze i inne gazy. Ilustracje Anni Matsick. Nowy Jork: Twenty-First Century Books, 1995.

„Gazy szlachetne” Xrefer.com (strona internetowa). <http://www.xrefer.com/entry/643259> (13 maja 2001).

Gazy szlachetne. Praxair (witryna internetowa). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (13 maja 2001).

Stwertka, Albert. Nadprzewodniki: The Irresistible Future. Nowy Jork: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Facts on Radon and Asbestos. Ilustrowane przez Iana Mooresa. New York: F. Watts, 1990.

.