Gazy szlachetne to pojęcie, które kojarzymy z lekcji chemii, jednak trzeba wiedzieć, że ich rola w różnych dziedzinach życia jest większa niż może się wydawać. Mimo swojej wysokiej chemicznej obojętności, posiadają bardzo szeroki zastosowanie, co czyni je niezwykle ciekawą grupą pierwiastków.
Poniżej przyjrzymy się bliżej temu, czym dokładnie są gazy szlachetne, jaka jest ich charakterystyka, rodzaje oraz zastosowanie.
Co to są gazy szlachetne?
Gazy szlachetne (inaczej określane również jako helowce) to pierwiastki należące do 18. grupy układu okresowego. Wyróżniają się przede wszystkim bardzo małą reaktywnością chemiczną, czyli niechęcią do wchodzenia w reakcje z innymi pierwiastkami. Wynika to z faktu, że posiadają w swojej powłoce walencyjnej komplet elektronów sparowanych. Trzeba też zaznaczyć, że w powietrzu występują w niezwykle małych ilościach. Gazy szlachetne posiadają kilka charakterystycznych cech, a mianowicie:
- są bezbarwne i bezwonne;
- występują w postaci pojedynczych atomów (nie tworzą cząsteczek dwuatomowych, jak na przykład tlen);
- wyróżniają się bardzo niską temperaturą wrzenia oraz topnienia;
- słabo rozpuszczają się w wodzie;
- mają niewielką gęstość.
Mimo swojej pozornej bierności, odgrywają bardzo ważną rolę w wielu dziedzinach - między innymi medycynie, przemyśle lub technice, dlatego warto przyjrzeć im się nieco bliżej.
Gazy szlachetne uważano kiedyś za bierne chemicznie, co tłumaczyła reguła oktetu (lub bardziej ogólnie: reguła helowca) dot. wysokiej stabilności cząsteczek. Koncepcja stabilności związków oparta na chemicznej bierności helowców spełniała swoją funkcję do roku 1962 kiedy to Neil Bartlett uzyskał związek gazu szlachetnego: Xe+ [PtF6]. Kilka lat później (w 1969) J. I. Musher formalnie zdefiniował związki hiperwalencyjne. Termin ten odnosi się do związków mających pierwiastki grup 15–18, które występują na dowolnym stopniu utlenienia z wyjątkiem najniższego (innym niż odpowiednio: 3, 2, 1 oraz 0).
Jak czytamy w rozprawie D. Farona PROJEKTOWANIE IN SILICO ZWIĄZKÓW O NIETYPOWEJ STECHIOMETRII ZAWIERAJĄCYCH METALE ALKALICZNE I METALE ZIEM ALKALICZNYCH:
obecnie rzadko stosuje się termin hiperwalencyjność. Do opisu związków (takich jak superalkalia czy superaholgeny, przyjęło się mówić, że są to związki o nietypowej stechiometrii.
Jakie są gazy szlachetne?
Lista gazów szlachetnych obejmuje zaledwie 6 pierwiastków, które zazwyczaj powstają w laboratoriach albo wyspecjalizowanych zakładach produkcyjnych. Jeżeli chodzi o rodzaje gazów szlachetnych, to zaliczamy do nich:
Do grupy gazów szlachetnych umownie zalicza się także Oganesson (Og), którego liczba atomowa wynosi 118. Ciekawe jest to, że na słynnej Tablicy Mendelejewa został umieszczony dopiero w 2016 roku. Nie jest jeszcze do końca zbadany i należy podkreślić, że nie występuje naturalnie na Ziemi. Po raz pierwszy otrzymano go w 2002 roku w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych.
Zastosowanie gazów szlachetnych
Gazy szlachetne - jak już zostało podkreślone - cechują się bardzo małą reaktywnością chemiczną, a mimo to ich znaczenie w przemyśle, medycynie oraz wielu innych branżach jest ogromne. To właśnie ich chemiczna obojętność sprawia, że tak bardzo są cenione w procesach wymagających stabilnych oraz bezpiecznych warunków. W tym miejscu należy podkreślić, że większość gazów szlachetnych (na przykład neon, argon czy ksenon) otrzymuje się w wyniku destylacji powietrza skroplonego. To metoda, która wykorzystuje różnice w temperaturze wrzenia składników powietrza, co pozwala na wydzielenie tych cennych helowców.
Najważniejsze zastosowania neonu
Jeżeli chodzi o zastosowanie gazów szlachetnych, to na pierwszym miejscu należy wskazać neon, gdyż to właśnie on - spośród wszystkich rodzajów gazów szlachetnych - może być nam najbardziej znany. Wykorzystuje się go głównie w reklamie świetlnej, ponieważ pod wpływem wyładowań elektrycznych emituje charakterystyczne światło o czerwono-pomarańczowej barwie. Trzeba od razu zaznaczyć, że gazy szlachetne same w sobie nie emitują kolorów - są bezbarwne. Ich barwa stanowi wynik działania impulsów elektrycznych. Neon obecnie wykorzystuje się też do produkcji elementów telewizorów, laserów albo fotodiod.
Zastosowanie gazów szlachetnych: ksenon, krypton, argon, radon
Ksenon używany jest z kolei do produkcji lamp samochodowych (tzw. światło ksenonowe), a także w lampach błyskowych i projektorach. W medycynie używany jest natomiast jako środek do zwalczania skutków hipotermii oraz anestetyk - czyli wziewny środek znieczulający. Ceniony jest za szybkie działanie, brak zapachu i smaku oraz niewielki wpływ na układ oddychania czy krążenia.
Krypton z kolei wykorzystywany jest w specjalistycznych źródłach światła oraz niektórych typach żarówek energooszczędnych. W medycynie - oprócz ksenonu - zastosowanie znalazł radon. Mimo że jest pierwiastkiem promieniotwórczym, wykorzystywano go w leczeniu nowotworów, czyli radioterapii. Na początku XX wieku cieszył się ogromną popularnością i uważano go za cudowny lek na wiele dolegliwości. Wierzono, że zwalcza między innymi reumatoidalne zapalenie stawów. Zachęcano do kąpieli w radioaktywnej wodzie, a nawet picia wody mineralnej z dodatkiem tego pierwiastka. Dziś radon używany jest przede wszystkim do badania ruchów mas powietrza w atmosferze oraz w geologii i geofizyce do przewidywania trzęsień ziemi.
Argon znalazł zastosowanie w produkcji półprzewodników, żarówek oraz okien energooszczędnych. Wykorzystywany jest też w spawaniu tytanu, stali nierdzewnej i aluminium jako osłona. Spotkamy go w metodach spawania TIG oraz MIG - zapobiega utlenianiu się metali i pozwala na tworzenie czystych spoin.
Zastosowanie helu jako gazu szlachetnego
Wielu osobom może się wydawać, że zastosowanie gazu szlachetnego jakim jest hel ogranicza się wyłącznie do napełniania kolorowych balonów, dzięki czemu mogą one swobodnie unosić się ku górze. W praktyce jego użycie bywa jednak znacznie szersze. Stosowany jest między innymi jako gaz osłonowy przy spawaniu, co oznacza, że uniemożliwia on dostawanie się zanieczyszczeń. Znajdziemy go w metodach MAG, MIG oraz TIG. Dodatkowo, hel jest niezbędny w produkcji mieszanek oddechowych dla nurków. W przemyśle pozwala na wykrywanie nieszczelności zbiorników, instalacji itp. Ponadto, używany jest w instalacjach chłodniczych oraz produkcji gazu ziemnego.
Zastosowanie i charakterystyka gazów szlachetnych: wnioski
Gazy szlachetne (helowce) to bardzo ciekawa grupa sześciu pierwiastków, która wciąż jest obiektem zainteresowania wielu naukowców. Ich zastosowanie obejmuje wiele dziedzin - od oświetlenia i reklamy, przez przemysł, a skończywszy na medycynie. Ogromną zaletą i główną cechą charakterystyczną gazów szlachetnych jest chemiczna obojętność, która pozwala tworzyć bezpieczne oraz kontrolowane środowisko pracy.
Źródła:
https://pbc.uken.krakow.pl/Content/2615/PDF/seminarium%204.pdf Błędy w nauczaniu przedmiotów przyrodniczych monografia pod redakcją J. R. Paśko, KRAKÓW, 2012
https://old.chemia.ug.edu.pl/sites/default/files/postepowania_naukowe/110766/praca/dawid_faron_rozprawa_doktorska.pdf.pdf
