gaze nobile

Gazele nobile

În chimie , gazele nobile (denumite în mod necorespunzător și gaze rare) sunt agregate de gaze care constituie grupa 18 a tabelului periodic conform nomenclaturii actuale IUPAC . În nomenclatura anterioară acest grup a fost numit VIIIB sau VIIIA ^{[1] în} conformitate cu diferite convenții utilizate în Europa și în Statele Unite ale Americii.

Gazele nobile sunt formate din atomi cu cochilii electronice exterioare complete. ^[1] Include elementele heliu (He), neon (Ne), argon (Ar), cripton (Kr), xenon (Xe) și radon (Rn). ^[1] Radonul este un element radioactiv . Elementul creat de om oganesson (Og) aparține, de asemenea, acestui grup, dar doar câțiva atomi au fost produși și proprietățile sale chimice sunt necunoscute. ^[2]

Gazele nobile sunt toate gazele monatomice, ^[1] nu sunt ușor lichefiabile, de obicei nereactive, ^[1] prezente în atmosferă în diferite procente; cel mai frecvent este argonul care constituie aproximativ 0,932%. Uneori acestea (în special heliul) se găsesc împreună cu alte gaze (în principal azot și metan ) în surse endogene; heliul de origine endogenă provine din descompunerea elementelor radioactive prezente în subsol care emit particule α (adică ioni He ²⁺ ): aceștia oxidează speciile prezente în sol și devin atomi de heliu.

Istorie

Termenul de gaze nobile derivă din germanul Edelgas , folosit pentru prima dată în 1898 de Hugo Erdmann pentru a însemna inertitatea lor chimică, prin analogie cu termenul de metale nobile utilizate pentru metalele mai puțin reactive. ^[3] Gazele nobile au fost numite și gaze inerte , dar termenul este învechit, deoarece mulți compuși ai gazelor nobile sunt acum cunoscuți. Aceste elemente au fost numite și gaze rare , dar chiar și acest nume s-a dovedit inexact, deoarece argonul reprezintă aproximativ 0,93% în volum din atmosfera Pământului. ^[4]

Heliul a fost detectat mai întâi la soare prin liniile sale spectrale caracteristice.

Primul care a dat peste gaze nobile a fost chimistul și fizicianul scoțian Henry Cavendish . În 1785, studiind compoziția aerului, și-a dat seama că acesta conține un procent mic dintr-o substanță mai puțin reactivă decât azotul . Cavendish nu a putut caracteriza mai bine această substanță, care a fost identificată doar ca argon după mai bine de un secol. Primul gaz nobil descoperit a fost în schimb heliul. La 18 august 1868, în timpul unei eclipse de soare, astronomii Jules Janssen și Norman Lockyer au observat independent o linie galbenă neașteptată într-o analiză spectrografică a cromosferei Soarelui și au presupus că se datorează unui element necunoscut. Lockyer a crezut că noul element este prezent doar în soare și l-a numit heliu, din cuvântul grecesc Ἥλιος (Hélios). Prezența heliului pe Pământ a fost descoperită în 1882 de către fizicianul italian Luigi Palmieri , prin analiza spectroscopică a probelor de lavă din Vezuviu . În 1895, chimiștii suedezi Per Teodor Cleve și Abraham Langlet din Uppsala au reușit să izoleze o probă de heliu din cleveita minerală și au fost primii care au măsurat greutatea sa atomică. În același an, heliul a fost, de asemenea, izolat independent de chimiștii William Ramsay și Morris Travers . ^[2]

William Ramsay

1895 a fost și anul în care William Ramsay și Lord Rayleigh au descoperit argonul, la mai bine de o sută de ani după observațiile lui Cavendish. Rayleigh descoperise că densitatea azotului izolat din aer era 1,257 g / dm³, în timp ce cea a azotului obținut din descompunerea amoniacului a fost 1,251 g / dm³ . Colaborând cu Ramsay, cei doi cercetători au emis ipoteza că azotul atmosferic conține un gaz mai greu. Ramsay a tratat o probă de azot cu magneziu , care la temperatură ridicată reacționează pentru a forma nitrură de magneziu (Mg ₃ N ₂ ), pentru a rămâne cu un volum de aproximativ 1% din gazul care nu reacționează și a determinat densitatea și liniile spectrale ale acestuia. A fost identificat astfel un element nou, care a fost numit argon din cuvântul grecesc αργός (argós, „inactiv”). ^{[2] [5]}

Ramsay și Rayleigh au sugerat că heliul și argonul fac parte dintr-un nou grup pe tabelul periodic. Paul Émile Lecoq de Boisbaudran a prezis că argonul aparține unei familii de elemente inerte încă necunoscute, care ar avea următoarele greutăți atomice: 20,0945, 36,40 ± 0,08, 84,01 ± 0,20 și 132,71 ± 0,15. ^{[5] [6]} În 1898 Ramsay și Travers au reușit să izoleze trei elemente noi prin distilarea fracționată a aerului lichid : erau kripton, neon și xenon, așa numite din cuvintele grecești κρυπτός (kryptós, „ascuns”), νέος (néos , „nou”) și ξένος (xénos, „străin”). ^{[2] [4]} În 1904 William Ramsay și Lord Rayleigh au primit Premiul Nobel pentru descoperirile lor cu privire la gazele nobile.

Radonul a fost observat pentru prima dată în 1898 de către fizicianul german Friedrich Ernst Dorn ca material radioactiv provenit dintr-o probă de radiu . ^[7] După diverse alte observații, în 1910 William Ramsay și Robert Whytlaw-Gray au reușit să izoleze suficient din acesta pentru a determina diverse proprietăți și a dovedi că acesta era cel mai greu gaz nobil cunoscut. ^[2]

Descoperirea gazelor nobile a fost importantă pentru dezvoltarea cunoștințelor chimice. În 1895, chimistul francez Henri Moissan a încercat fără succes să facă argonul să reacționeze cu fluorul , cel mai electronegativ element. De asemenea, alți oameni de știință nu au reușit să pregătească compuși de gaze nobile până în 1962, dar aceste eșecuri au favorizat dezvoltarea de noi teorii ale structurii atomice . Fizicianul danez Niels Bohr a propus în 1913 că electronii sunt dispuși în nivele discrete de energie în jurul nucleului atomului și că stratul cel mai exterior conține întotdeauna opt electroni în toate gazele nobile, cu excepția heliului. ^[8] În 1916, chimistul american Gilbert Lewis a formulat regula octetului care prevede că un octet de electroni la nivelul electronic extern este o condiție de stabilitate energetică specială; un atom în această stare nu reacționează cu alte elemente, deoarece nu are nevoie să piardă sau să dobândească electroni. ^[9]

Primul compus cu gaze nobile a fost preparat în 1962 de chimistul britanic Neil Bartlett . El a menționat că hexafluorura de platină PtF ₆ este un oxidant atât de puternic încât oxidează oxigenul formând O ₂ ⁺ [PtF ₆ ] ^- . Având în vedere că primul potențial de ionizare al xenonului (1170 kJ mol ⁻¹ ) este similar cu cel al oxigenului (1175 kJ mol ⁻¹ ), Bartlett a încercat să facă reacția vaporilor PtF ₆ cu xenon, obținând un solid portocaliu, la care formula Xe ⁺ [PtF ₆ ] ^{- a} fost atribuit. Ulterior s-a constatat că acest compus are de fapt o structură mai complexă, dar în curând au fost obținuți mulți alți compuși de xenon. ^{[4] [10]}

Compușii celorlalte gaze nobile sunt mai rare și mai puțin stabile. Primul compus de radon, difluorura de radon RnF ₂ , a fost preparat în 1962. ^[11] În 1963 a fost sintetizat primul compus de cripton, difluorură de cripton KrF ₂ , publicat eronat sub numele de KrF ₄ , care este încă străin (2016). ^{[12] [13]} Primul compus de argon, hidrofluorura de argon HArF, a fost obținut în 2000; este stabil numai la temperaturi sub –246 ° C. ^{[2] [14]} Au fost de asemenea obținuți compuși de coordonare și compuși organometalici care conțin argon, kripton, xenon și fluorurile acestora. ^[15]

În 2002, oganesson , cel mai greu element al grupului de gaze nobile, a fost sintetizat prin bombardarea Californium-249 cu calciu-48. Experimentul a fost confirmat în 2006. ^{[2] [16]}

Surse

Heliul este al doilea cel mai abundent element din Univers după hidrogen și constituie 24% din masă. Cu toate acestea, pe Pământ este rar: este cel de-al 71-lea element din abundență pe scoarța terestră (8 ppb ), în timp ce atmosfera conține aproximativ 5 ppb. Heliul este obținut din surse de gaze naturale care pot conține până la 7% din acesta. Neonul este al cincilea cel mai abundent element din Univers. Pe Pământ, pe de altă parte, este de 82 ° pentru abundență pe scoarța terestră (≈0,07 ppb ), în timp ce atmosfera conține aproximativ 18 ppm . Neonul, argonul, criptonul și xenonul se obțin prin distilarea fracționată a aerului lichid. Argonul este cel mai abundent gaz nobil de pe Pământ; este doar 56 ° pentru abundența pe scoarța terestră (1,2 ppm), dar atmosfera conține aproximativ 0,93% în volum. Kriptonul și xenonul sunt printre cele mai rare elemente de pe Pământ. Kryptonul este de 83 ° din abundență pe scoarța terestră (10 ppt), iar atmosfera conține 1 ppm. Xenonul este de 85 ° pentru abundență pe scoarța terestră (2 ppt), iar atmosfera conține 90 ppb. Radonul este și mai rar; se estimează că în întreaga atmosferă a Pământului există mai puțin de 100 g. Cantități mici de radon pot fi obținute din dezintegrarea radioactivă a ²²⁶ Ra . ^[2]

Toxicitate și rol biologic

Gazele nobile heliu, neon, argon, kripton și xenon nu au rol biologic și sunt inofensive pentru sănătate. Pe de altă parte, compușii cu gaze nobile sunt periculoși. Cele fluorurate, cum ar fi XeF _2, sunt puternic oxidante, toxice și corozive, deoarece tind să elibereze ioni fluor . Oxizii precum XeO ₃ sunt puternic oxidanți și explozivi.

Radonul, pe de altă parte, este periculos datorită radioactivității sale, care poate provoca cancer pulmonar . Radonul se formează în procesele de degradare ale uraniului și toriului , prezente în urme în roci și, odată format, se răspândește în mediu. În mod normal, cantitatea de radon prezentă în mediu rămâne foarte mică și, în orice caz, inevitabilă, dar în cazuri nefavorabile se pot forma local concentrații mai mari în medii închise și slab ventilate, cum ar fi pivnițele. ^[2]

Aplicații

Heliul este utilizat într-o varietate de aplicații, inclusiv: echipamente care necesită temperaturi foarte scăzute , crearea de atmosfere inerte, aparate de respirație pentru scufundări profunde , lasere cu heliu-neon utilizate în scanerele de coduri de bare, baloane și dirijabile . Neonul este utilizat în principal în semnele de neon; alte utilizări sunt în aparatele de respirație pentru scufundări profunde, criogenie , lasere. Argonul este utilizat în principal în aplicații care necesită atmosfere inerte; cele mai importante sunt becurile, tuburile fluorescente, fabricile de oțel, cuptoarele, sudura. Kriptonul este puțin folosit; principalele aplicații sunt în tuburile de neon pentru a-și schimba culoarea și în laserele cu excimeri . Xenonul este utilizat în lămpi, în fabricarea semiconductorilor , în laboratoarele de cercetare și ca anestezic în chirurgie. Radonul este puternic radioactiv; în trecut a fost folosit în radioterapie . ^[2]

Caracteristici

Element	Heliu ( 3 He și 4 He)		Neon	Argon	Krypton	Xenon	Radon
Punct de topire ( 1 013 hPa ) [17]	0,319 K ( −272,831 ° C ) (29.315 bari )	0,775 K (−272,375 ° C) (25.316 bari)	24,57 K (−248,58 ° C)	84,0 K (-189,2 ° C)	116,2 K (-157,0 ° C)	161,4 K (−111,8 ° C)	aprox. 202 K (aproximativ −71 ° C)
Punct de fierbere (1013 hPa) [17]	3,1905 K (-269,9595 ° C)	4.224 K (-268.926 ° C)	27,09 K (−246,06 ° C)	87.295 K (-185.855 ° C)	119,79 K (−153,36 ° C)	165,03 K (-108,12 ° C)	211,9 K [18] (−61,3 ° C)
Punct critic [17]	3.3093 K (-269,8407 ° C) 1.1459 bari 0,04119 g / cm³	5,2014 K (-267,9486 ° C) 2,275 bari 0,06945 g / cm³	44,448 K (-228,702 ° C) 26,60 bari 0,4835 g / cm³	150,7 K (-122,5 ° C) 48,7 bari 0,535 g / cm³	209,40 K (−63,75 ° C) 55,1 bari 0,909 g / cm³	289,777 K (16,627 ° C) 58,8 bari 1,105 g / cm³	377,7 K [18] (104,6 ° C) 61,9 bari [18] 1,528 g / cm³
Punct triplu [17]	inexistent		24,54 K (−248,61 ° C) 433,0 mbar	83,798 K (-189.352 ° C) 688,92 mbar	115,96 K (-157,46 ° C) 732 mbar	161,35 K (-111,80 ° C) 816 mbar	200,0 K [18] (−73,2 ° C) 588 mbar [18]
Densitate (0 ° C, 1013 hPa) [17]	0,13448 kg / m³	0,177847 kg / m³	0,9000 kg / m³	1,7839 kg / m³	3,7493 kg / m³	5.8971 kg / m³	9,73 kg / m³
Structura
Sistem cristalin	hexagonal		cub	cub	cub	cub	cub
Constanta rețelei [19]	a = 3,531 Å c = 5.693 Å		a = 4,43 Å	a = 5,26 Å	a = 5,72 Å	a = 6,20 Å	a = 6,55 Å [20]

Proprietăți chimice și tendințe în grup ^[4]

Valorile energiei de ionizare a elementelor în funcție de numărul atomic. Gazele nobile au cele mai mari valori ale perioadei lor.

Elementele acestui grup au configurații electronice foarte stabile (1s ² sau ns ² np ⁶ ). Din punct de vedere fizic, stabilitatea configurației electronice a gazelor nobile este indicată de faptul că fiecare este elementul cu cea mai mare energie de ionizare din perioada sa. Cu toate acestea, energia de ionizare scade pe măsură ce coboară în grup și astfel se întâmplă ca elementele mai grele să aibă energii de ionizare mai mici decât elemente precum oxigenul și fluorul . În consecință, xenonul este cel mai reactiv element al grupului (în afară de radon, care este rar și radioactiv); Compușii xenonului sunt cunoscuți în stările de oxidare +2, +4, +6 și +8.

Toate aceste elemente sunt gaze monoatomice, incolore, inodore, fără gust și neinflamabile. Atomii lor sunt sferici și nepolari și, prin urmare, se găsesc proprietăți fizice care variază regulat în grup. Singurele forțe interatomice sunt forțele van der Waals , care sunt întotdeauna slabe și cresc în intensitate pe măsură ce mărimea atomică crește. Temperatura punctului de topire și a punctului de fierbere este, prin urmare, foarte scăzută și crește pe măsură ce coborâți în grup. Alte proprietăți, cum ar fi dimensiunea și densitatea atomică, variază, de asemenea, în mod previzibil .

Așa cum se întâmplă de obicei în întregul bloc p , primul element al grupului are proprietăți unice. Heliul este substanța cu cel mai scăzut punct de topire (4,2 K, aproximativ –269 ° C) și, de asemenea, singura substanță care nu poate îngheța la orice temperatură, decât dacă acționează sub presiune. De departe cel mai abundent izotop al heliului este ⁴ He (> 99,99%); aceasta este singura substanță din care se cunosc două faze lichide, numite heliu I și heliu II. Heliul II lichid este superfluid , adică curge cu viscozitate zero. Celălalt izotop ³El devine superfluid doar la o temperatură mult mai scăzută (1-3 milikelvin).

Luminescență

Următoarele figuri arată culoarea și spectrul de emisii (linia de jos) a gazelor nobile traversate de descărcări electrice. În plus față de gazul nobil utilizat, culoarea observată depinde de diverși factori, inclusiv: ^[22]

• parametrii de descărcare (valoarea locală a densității curentului electric și a câmpului electric , temperatura etc. - notați nuanțele de culoare din primul rând de imagini);
• puritatea gazului (anumite gaze pot afecta culoarea chiar dacă sunt prezente în cantități mici);
• material utilizat pentru tubul de refulare - rețineți suprimarea componentelor UV și albastre din rândul de jos, unde tuburile sunt realizate din sticlă comună cu grosime considerabilă.

heliu	Neon	Argon	Krypton	Xenon

Notă

Bibliografie

• FA Cotton, G. Wilkinson și PL Gaus, Principiile chimiei anorganice , Milano, Editura Ambrosiana, 1991.
• ( EN ) J. Emsley, Nature's Building Blocks: An AZ Guide to the Elements (Ed. Nouă ) , New York, Oxford University Press, 2011, ISBN 978-0-19-960563-7 .
• ( EN ) AGM Ferreira și LQ Lobo, Despre presiunea vaporilor radonului , în The Journal of Chemical Thermodynamics , vol. 39, nr. 10, 2007, pp. 1404-1406, DOI : 10.1016 / j.jct.2007.03.017 .
• ( EN ) PR Fields, L. Stein și MH Zirin, fluorură de radon , în J. Am. Chem. Soc. , Vol. 84, nr. 21, 1962, pp. 4164-4165, DOI : 10.1021 / ja00880a048 .
• ( EN ) RJ Gillespie și EA Robinson, Gilbert N. Lewis și legătura chimică: perechea de electroni și regula octetului din 1916 până în prezent , în J. Comput. Chem. , vol. 28, nr. 1, 2007, pp. 87-97, DOI : 10.1002 / jcc.20545 .
• ( EN ) NN Greenwood și A. Earnshaw, Chimia elementelor , ediția a II-a, Oxford, Butterworth-Heinemann, 1997, ISBN 0-7506-3365-4 .
• ( EN ) AV Grosse, AD Kirschenbaum, AG Streng și LV Streng, Krypton Tetrafluoride: Preparation and Some Properties , în Știință , vol. 139, nr. 3559, 1963, pp. 1047-1048, DOI : 10.1126 / science.139.3559.1047 .
• ( EN ) AV Grosse, Unele proprietăți fizice și chimice ale elementului 118 (Eka-Em) și ale elementului 86 (Em) , în Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry , vol. 27, n. 3, 1965, pp. 509-519, DOI : 10.1016 / 0022-1902 (65) 80255-X .
• ( EN ) P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode și colab., Noble Gases , în Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry , Wiley-VCH, 2002, DOI : 10.1002 / 14356007.a17_485 .
• ( EN ) E. G, Hope, chimie de coordonare a gazelor nobile și fluorurilor de gaze nobile , în Coord. Chem. Rev. , vol. 257, nr. 5-6, 2013, pp. 902-909, DOI : 10.1016 / j.ccr.2012.07.017 .
• ( EN ) CE Housecroft și AG Sharpe, Chimie anorganică , ediția a III-a, Harlow (Anglia), Pearson Education Limited, 2008, ISBN 978-0-13-175553-6 .
• ( EN ) L. Khriachtchev, M. Pettersson, N. Runeberg, J. Lundel și M. Räsänen, Un compus stabil de argon , în Nature , vol. 406, n. 6798, 2000, pp. 874-876, DOI : 10.1038 / 35022551 .
• ( FR ) Lecoq de Boisbaudran, Remarques sur les pods atomiques , în Compt. Rupe. , vol. 120, 1895, pp. 360-361.
• ( EN ) JF Lehmann, HPA Mercier și GJ Schrobilgen, Chimia kriptonului , în Coord. Chem. Rev. , vol. 233-234, nr. 1, 2002, pp. 1-39, DOI : 10.1016 / S0010-8545 (02) 00202-3 .
• ( EN ) Yu. Ts. Oganessian, V. Utyonkov, Yu. Lobanov, F. Abdullin și colab., Sinteza izotopilor elementelor 118 și 116 în reacțiile de fuziune ²⁴⁹ Cf și ²⁴⁵ Cm + ⁴⁸ Ca , în Physical Review , C74, n. 4, 2006, p. 44602, DOI : 10.1103 / PhysRevC.74.044602 .
• ( EN ) JR Partington, Discovery of Radon , in Nature , vol. 179, nr. 912, 1957, DOI : 10.1038 / 179912a0 .
• ( EN ) SF Ray, Fotografie științifică și imagistică aplicată , Focal Press, 1999, ISBN 0-240-51323-1 .
• ( EN ) E. Renouf, Lehrbuch der anorganischen Chemie , în Știință , vol. 13, n. 320, 1901, pp. 268-270, DOI : 10.1126 / science.13.320.268 .
• ( EN ) GJ Schrobilgen, Noble gas , în Encyclopædia Britannica , 2016. Accesat la 16 martie 2016 .
• ( DE ) K. Schubert, Ein Modell für die Kristallstrukturen der chemischen Elemente , în Acta Crystallographica , B30, 1974, pp. 193-204, DOI : 10.1107 / S0567740874002469 .
• (EN) ME Weeks, Discovery of Elements, ediția a 6-a, Easton, Pa., Journal of Chemical Education, 1960.

Elemente conexe

• Element chimic
• Atom
• Nu din metal
• Metal
• Metaloid

Alte proiecte

• Wikicitată conține citate din sau despre gaze nobile
• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre gaze nobile

linkuri externe

• ( EN ) Gazele nobile , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Portalul chimiei

Portalul de fizică