Ädelgaser

KONCEPT

Längs den yttersta högra kolumnen i det periodiska systemet av grundämnen finns en grupp som kallas ädelgaser: helium, neon, argon, krypton, xenon och radon. De kallas också sällsynta gaser och kallades en gång i tiden för inerta gaser, eftersom forskarna trodde att de inte kunde reagera med andra grundämnen. Trots att de är sällsynta är dessa gaser en del av vardagen, vilket bevisas av heliumet i ballonger, neonet i skyltar – och det skadliga radonet i vissa amerikanska hem.

HUR DET FUNGERAR

Definition av ädelgaserna

Det periodiska systemet över grundämnena är ordnat efter antalet protoner i atomkärnan för ett visst grundämne (atomnumret), men tabellen är också ordnad på ett sådant sätt att grundämnen med liknande egenskaper grupperas tillsammans. Så är fallet med grupp 8, som ibland kallas grupp 18, en samling icke-metaller som kallas ädelgaser. De sex ädelgaserna är helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) och radon (Rn). Deras atomnummer är 2, 10, 18, 36, 54 respektive 86.

Eller egenskaper, förutom deras placering i det periodiska systemet, definierar ädelgaserna. Självklart är alla gaser, vilket innebär att de endast bildar vätskor eller fasta ämnen vid extremt låga temperaturer – temperaturer som, åtminstone på jorden, vanligtvis endast uppnås i ett laboratorium. De är färglösa, lukt- och smaklösa samt monatomära, vilket innebär att de existerar som enskilda atomer snarare än i molekyler. (Däremot brukar syreatomer – en annan gas, som dock inte ingår i denna grupp – vanligtvis kombinera sig för att bilda en molekyl, O2.)

Låg reaktivitet

Det finns en anledning till att ädelgasatomer tenderar att inte kombinera sig: ett av de definierande kännetecknen för ädelgas-”familjen” är att de inte har någon kemisk reaktivitet. I stället för att reagera med eller binda sig till andra grundämnen tenderar ädelgaserna att hålla sig åtskilda – därav namnet ”ädel”, som antyder att någon eller något står åtskilt från mängden, så att säga. På grund av sin uppenbara brist på reaktivitet kallades ädelgaserna – även kända som sällsynta gaser – en gång i tiden för inerta gaser.

Helium, neon och argon har inte visat sig kombinera sig med andra grundämnen för att bilda föreningar. 1962 lyckades dock den engelske kemisten Neil Bartlett (1932-) framställa en förening av xenon med platina och fluor (XePtF6), vilket gjorde att idén om att ädelgaserna var helt och hållet ”inerta” omintetgjordes. Sedan dess har många föreningar av xenon med andra grundämnen, framför allt syre och fluor, utvecklats. Fluor har också använts för att bilda enkla föreningar med krypton och radon.

Den låga reaktiviteten – i stället för att vara obefintlig, som man tidigare trodde – kännetecknar de sällsynta gaserna. En av de faktorer som styr ett grundämnes reaktivitet är dess elektronkonfiguration, och elektronerna i ädelgaserna är arrangerade på ett sådant sätt att de motverkar bindning med andra grundämnen.

RÄTTLIGA TILLÄMPNINGAR I DET RIKTIGA LIVET

Isolering av ädelgaserna

HELIUM.

Helium är ett ovanligt grundämne i många avseenden – inte minst för att det är det enda grundämne som först identifierades i solsystemet innan det upptäcktes på jorden. Detta är betydelsefullt eftersom grundämnena på jorden är desamma som de som finns i rymden: det är alltså mer än bara ett försök att låta poetiskt när forskare säger att människor, liksom världen runt omkring dem, är gjorda av ”stjärnornas material”.

År 1868 befann sig en fransk astronom vid namn Pierre Janssen (1824-1907) i Indien för att observera en total solförmörkelse. Som hjälp vid sina observationer använde han ett spektroskop, ett instrument för att analysera spektrumet av det ljus som avges av ett objekt. Vad Janssens spektroskop visade var överraskande: en gul linje i spektrumet, som aldrig tidigare setts, och som tycktes tyda på förekomsten av ett tidigare oupptäckt grundämne. Janssen kallade det ”helium” efter den grekiska guden Helios, eller Apollon, som de gamla förknippade med solen.

Janssen delade med sig av sina upptäckter till den engelske astronomen Sir Joseph Lockyer (1836-1920), som hade ett världsomspännande rykte för sitt arbete med att analysera ljusvågor. Lockyer trodde också att det Janssen hade sett var ett nytt grundämne, och några månader senare observerade han samma ovanliga spektrallinjer. Vid den tiden var spektroskopet fortfarande en ny uppfinning, och många medlemmar av det världsomspännande forskarsamhället tvivlade på dess användbarhet, och därför ifrågasatte de, trots Lockyers rykte, existensen av detta ”nya” grundämne. Men under deras livstid fick Janssen och Lockyer rätt.

NEON, ARGON, KRYPTON OCH XENON.

De fick dock vänta ett kvarts sekel. År 1893 blev den engelske kemisten Sir William Ramsay (1852-1916) fascinerad av förekomsten av en mystisk gasbubbla som blev kvar när kväve från atmosfären kombinerades med syre. Detta var ett fenomen som även den engelske fysikern Henry Cavendish (1731-1810) hade noterat mer än hundra år tidigare, men Cavendish kunde inte ge någon förklaring. Ramsay hade däremot nytta av observationer som gjorts av den engelske fysikern John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919).

Fram till dess trodde vetenskapsmännen att luften endast bestod av syre, koldioxid och vattenånga. Rayleigh hade dock noterat att när kväve extraherades från luften efter en process där dessa andra beståndsdelar avlägsnades, hade det en något högre densitet än kväve som framställts genom en kemisk reaktion. Mot bakgrund av sina egna observationer drog Ramsay slutsatsen att medan kväve som framställts genom kemiska reaktioner var rent, innehöll kväve som extraherats från luft spår av en okänd gas.

Ramsay hade fel i endast ett avseende: gömd med kvävet fanns inte en gas, utan fem. För att isolera dessa gaser utsatte Ramsay och Rayleigh luften för en kombination av högt tryck och låg temperatur, vilket gjorde att de olika gaserna kokade bort vid olika temperaturer. En av gaserna var helium – den första bekräftelsen på att grundämnet existerade på jorden – men de övriga fyra gaserna var tidigare okända. De grekiska rötterna i de namn som gavs till de fyra gaserna återspeglade vetenskapsmännens förvåning över att ha upptäckt dessa svårfunna grundämnen: neos (ny), argos (aktiv), kryptos (dold) och xenon (främmande).

RADON.

Inspirerad av den polsk-franska fysikern och kemisten Marie Curies (1867-1934) studier av grundämnet radium och fenomenet radioaktivitet (hon upptäckte grundämnet och myntade den sistnämnda termen), blev den tyske fysikern Friedrich Dorn (1848-1916) fascinerad av radium. När han studerade grundämnet upptäckte han att det avgav en radioaktiv gas som han kallade ”radiumutstrålning”. Så småningom insåg han dock att det som producerades var ett nytt grundämne. Detta var det första tydliga beviset på att ett grundämne kunde bli ett annat genom den radioaktiva sönderfallsprocessen.

Ramsay, som tillsammans med Rayleigh hade fått Nobelpriset 1904 för sitt arbete med ädelgaserna, kunde kartlägga det nya grundämnets spektrallinjer och bestämma dess densitet och atommassa. Några år senare, 1918, gav en annan forskare vid namn C. Schmidt det namnet ”radon”. På grund av dess beteende och elektronernas konfiguration klassificerade kemister radon bland vad de fortsatte att kalla ”inerta gaser” under ytterligare ett halvt sekel – fram till Bartletts framställning av xenonföreningar 1962.

Förekomst av sällsynta gaser på jorden

I ATMOSFÄREN.

Trots att de sällsynta gaserna finns i mineraler och meteoriter på jorden, är det i planetens atmosfär som de är mest närvarande. Man tror att de släpptes ut i luften för länge sedan som en biprodukt av nedbrytning av radioaktivt material i jordskorpan. I atmosfären är argon den mest ”rikliga” – i jämförande termer, med tanke på att ”sällsynta gaser” per definition är sällsynta.

Väte utgör cirka 78 % av jordens atmosfär och syre 21 %, vilket innebär att dessa två grundämnen utgör hela 99 % av luften ovanför jorden. Argon ligger på en avlägsen tredje plats med 0,93 %. Resterande 0,07 % består av vattenånga, koldioxid, ozon (O3) och spår av ädelgaser. Dessa finns i så små mängder att siffrorna för dem vanligtvis inte presenteras som procentandelar, utan snarare som miljondelar (ppm). Koncentrationerna av neon, helium, krypton och xenon i atmosfären är 18, 5, 1 respektive 0,09 ppm.

I MARKEN.

Radon i atmosfären är praktiskt taget försumbart, vilket är en lycklig sak med tanke på dess radioaktiva egenskaper. Få amerikaner kände faktiskt ens till dess existens fram till 1988, då Förenta staternas miljöskyddsbyrå (EPA) släppte en rapport där man uppskattade att cirka tio miljoner amerikanska hem hade potentiellt skadliga radonhalter. Detta utlöste en skräck, och under slutet av 1980- och 1990-talet ökade försäljningen av radondetektorer för hemmabruk kraftigt. Samtidigt ökade den federala regeringen oron med ytterligare rapporter och rådde människor att försegla sina källare och ventilera sina hem om radonhalten översteg vissa nivåer.

Ett antal vetenskapsmän har bestridit regeringens påståenden, men vissa regioner i USA tycks ändå löpa en relativt hög risk på grund av förekomsten av radon i marken. Elementet verkar vara mest rikligt förekommande i jordar som innehåller höga koncentrationer av uran. Om radon förekommer i ett hem som har tätats för att förbättra värme- och kylsystemens effektivitet är det verkligen potentiellt farligt för de boende.

Kinesiska forskare gjorde på 1960-talet en intressant upptäckt när det gäller radon och dess tillämpning på seismografi, eller det område av geovetenskaperna som ägnas åt att studera och förutsäga jordbävningar. Radonnivåerna i grundvattnet, visade de kinesiska rapporterna, stiger avsevärt strax före en jordbävning. Sedan dess har kineserna övervakat radonkoncentrationerna i vatten och använt dessa uppgifter för att förutsäga jordbävningar.

Framställning av sällsynta gaser.

Radon är faktiskt inte den enda sällsynta gasen som kan framställas genom radioaktivt sönderfall: 1903 visade Ramsay och den brittiske kemisten Frederick Soddy (1877-1956) att sönderfallet av antingen uran eller radium resulterar i produktion av heliumatomer (betapartiklar). Några år senare visade den engelske fysikern Ernest Rutherford (1871-1937) att strålning med positiv elektrisk laddning (alfastrålar) i själva verket var en ström av heliumatomer som berövats en elektron.

Många av ädelgaserna utvinns genom att göra luft flytande, det vill säga genom att sänka den till en temperatur där den antar egenskaperna hos en vätska snarare än en gas. Genom att kontrollera temperaturen i den flytande luften är det möjligt att nå kokpunkten för en viss ädelgas och på så sätt utvinna den, på samma sätt som man gjorde när dessa gaser först isolerades på 1890-talet.

Heliums unika situation.

Helium är anmärkningsvärt eftersom det bara blir flytande vid en temperatur på -272 °C (-457,6 °F), strax över den absoluta nollpunkten. Den absoluta nollpunkten är den temperatur vid vilken atomers eller molekylers rörelse praktiskt taget upphör, men heliumatomers rörelse upphör aldrig helt. För att det ska bli flytande, även vid dessa låga temperaturer, måste det utsättas för ett tryck som är många gånger större än trycket i jordens atmosfär.

Med tanke på detta är det svårt att utvinna helium ur luften. Oftast hämtas det från naturgasbrunnar, där det finns i relativt stora koncentrationer – mellan 1 % och 7 % av naturgasen. Större delen av jordens heliumförråd tillhör USA, där det största överflödet av heliumförsörjande brunnar finns i Texas, Oklahoma och Kansas. Under andra världskriget utnyttjade USA denna tillgång på relativt billigt helium för att ge flytkraft åt en flotta av luftskepp som användes för spaning.

Det finns en plats med en riklig tillgång på helium, men det finns inga planer på en gruvexpedition i närtid. Den platsen är solen, där kärnfusionen av väteatomer skapar helium. Helium verkar faktiskt vara det mest rikliga grundämnet av alla, efter väte, och utgör 23 procent av universums totala massa. Varför är det då så svårt att få tag på det på jorden? Troligen för att det är så lätt i jämförelse med luft; det flyter helt enkelt ut i rymden.

Användningar för de ädla gaserna

RADON, ARGON, KRYPTON OCH XENON.

Tyvärr är radon i första hand känt för de risker det utgör för människans liv och välbefinnande, men det har också användbara tillämpningar. Som nämnts ovan tycks dess förekomst i grundvatten vara ett möjligt sätt att förutsäga jordbävningar. Dessutom används radon för att upptäcka läckor, mäta flödeshastigheter och inspektera metallsvetsar.

En intressant användning av argon, och särskilt den stabila isotopen argon-40, är i dateringstekniker som används av geologer, paleontologer och andra vetenskapsmän som studerar det avlägsna förflutna. När vulkaniska bergarter utsätts för extremt höga temperaturer frigörs argon, och när bergarterna svalnar ackumuleras argon-40. Eftersom argon-40 bildas genom det radioaktiva sönderfallet av en kaliumisotop, kalium-40, är mängden argon-40 som bildas proportionell mot kalium-40:s sönderfallshastighet. Den senare har en halveringstid på 1,3 miljarder år, vilket innebär att det tar 1,3 miljarder år för hälften av den ursprungligen förekommande kalium-40 att omvandlas till argon-40. Med hjälp av argon-40 har paleontologer kunnat uppskatta åldern på vulkaniska lager ovanför och under fossila lämningar och artefakter i Östafrika.

Krypton har ett antal specialiserade användningsområden – till exempel blandas det med argon och används vid tillverkning av fönster med hög värmeeffektivitet. I lasrar används det ofta blandat med en halogen som t.ex. fluor. Dessutom används den också ibland i halogenstrålkastare med förseglade strålkastare. Många fans av Stålmannen blev utan tvekan besvikna någon gång i livet när de upptäckte att det inte finns något sådant som ”kryptonit”, det fiktiva element som fick Stålmannen att förlora sin legendariska styrka. Ändå har krypton – den riktiga varan – tillämpningar som är bokstavligen helt otroliga. Vid utvecklingen av bränsle för rymdforskning konkurrerar krypton med sitt systerämne xenon. Xenon ger bättre prestanda, men kostar ungefär tio gånger mer att producera; därför har krypton blivit mer attraktivt som bränsle för rymdflygning.

Inom sin potential som rymdbränsle används xenon i ljusbågslampor för projicering av rörliga filmer, i lampor för ultraviolett strålning under högt tryck och i specialiserade blixtlampor som används av fotografer. En särskild isotop av xenon används för att spåra sandens rörelse längs en kustlinje. Xenon används också inom högenergifysiken för att upptäcka kärnstrålning i bubbelkammare. Vidare experimenterar neurovetare med användningen av xenon i diagnostiska förfaranden för att förtydliga röntgenbilder av den mänskliga hjärnan.

NEON.

Neon är naturligtvis mest känt för sin användning i neonskyltar, som ger ett iögonfallande sken när de lyser upp på natten. Den franske kemisten Georges Claude (1870-1960), fascinerad av Ramsays upptäckt av neon, utförde experiment som ledde till utvecklingen av neonljuset 1910. Den första neonlampan var helt enkelt ett glasrör fyllt med neongas, som lyste starkt rött när den laddades med elektricitet.

Claude upptäckte så småningom att om man blandade andra gaser med neon kunde man få fram olika färger på ljuset. Han experimenterade också med variationer i glasrörens former för att skapa bokstäver och bilder. På 1920-talet hade neonljus kommit på modet, och det är fortfarande populärt idag. Moderna neonlampor är vanligtvis tillverkade av plast i stället för glas, och färgskalan är mycket större än på Claudes tid: inte bara gasfyllningen utan även beläggningen inuti röret varieras, vilket resulterar i en mängd olika färger från hela spektrumet.

Trots att neonskylten är dess mest kända tillämpning används neon till många andra saker. Neonglödlampor används ofta för att ange on/off-inställningar på elektroniska instrumentpaneler, och lätta neonlampor finns på maskiner som sträcker sig från datorer till spänningsregulatorer. Den första praktiska färg-TV:n, som tillverkades 1928, använde faktiskt ett neonrör för att producera den röda färgen i mottagaren. Det gröna kom från kvicksilver, men det blå ljuset i den tidiga färg-TV:n kom från en annan ädelgas, helium.

HELIUM.

Helium är förstås allmänt känt för sin användning i ballonger – både för stora luftskepp och för de ballonger som har gett glädje och nöje åt många små barn. Även om helium är mycket dyrare än väte för att ge luftskepp flytkraft är väte extremt lättantändligt, och efter den ökända explosionen av luftskeppet Hindenburg 1937 blev helium det föredragna mediet för luftskepp. Som tidigare nämnts använde sig USA:s militär i stor utsträckning av heliumfyllda luftskepp under andra världskriget.

Användningen av helium för bärighet är en av de mest framträdande tillämpningarna av denna ädelgas, men långt ifrån den enda. Faktum är att människor inte bara har använt helium för att flyga upp i ballonger, utan även dykare använder helium för att dyka ner under havsytan. I den situationen används helium naturligtvis inte för att ge flytkraft, utan som ett sätt att skydda sig mot det dykrelaterade tillstånd som kallas ”the bends”, vilket inträffar när kväve i blodet bubblar när dykaren stiger upp till ytan. Helium blandas med syre i dykarnas lufttankar eftersom det inte löser sig i blodet lika lätt som kväve.

En av de mest fascinerande tillämpningarna av helium har att göra med dess utomordentligt låga fryspunkt. Helium har spelat en viktig roll i den vetenskap om låga temperaturer som kallas kryogenik och har funnit tillämpning i forskning om supraledning: användningen av mycket låga temperaturer för att utveckla material som leder elektrisk kraft med mycket större effektivitet än vanliga ledare. Nära den absoluta nollpunkten förvandlas helium till en mycket ovanlig vätska som inte liknar någon annan känd substans, eftersom den inte har något mätbart motstånd mot flödet. Detta innebär att den skulle kunna leda en elektrisk ström hundratals gånger effektivare än en koppartråd.

Hur man lär sig mer

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

”Homework: Naturvetenskap: Kemi: Läxor: Läxor: Naturvetenskap: Läxor: Kemi: Gaser” Channelone.com (webbplats). <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. och Thomas R. Rybolt. Air and Other Gases. Illustrationer av Anni Matsick. New York: Twenty-First Century Books, 1995.

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

Sällsynta gaser. Praxair (webbplats). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (13 maj 2001).

Stwertka, Albert. Supraledare: Den oemotståndliga framtiden. New York: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Fakta om radon och asbest. Illustrerad av Ian Moores. New York: F. Watts, 1990.