גזים אצילים: מאפיינים, תצורה, תגובות, שימושים - כִּימִיָה - 2025

הגזים האצילים הם קבוצה של אלמנטים שנמצאו על ידי שילוב בקבוצה 18 של הטבלה המחזורית. במהלך השנים הם נקראו גם גזים נדירים או אינרטיים, שניהם לא מדויקים; חלקם נמצאים בשפע מאוד מחוץ לכדור הארץ ובתוכו, והם מסוגלים גם בתנאים קיצוניים להגיב.

שבעת היסודות שלה מהווים אולי את הקבוצה הייחודית ביותר בטבלה המחזורית, שתכונותיה ופעילותה מחדש הנמוכה מרשימה כמו זו של המתכות האצילות. ביניהם מצעדים את האלמנט האינרטיבי ביותר (ניאון), השני בשפע בקוסמוס (הליום), והגדול ביותר והיציב ביותר (אוגנזון).

זוהר של חמישה מהגזים האצילים בבקבוקונים או באמפולות זכוכית. מקור: עבודה חדשה Alchemist-hp (שיחה) www.pse-mendelejew.de); תמונות בודדות מקוריות: Jurii, http://images-of-elements.com.

גזים אצילים הם החומרים הקרים ביותר בטבע; לעמוד בטמפרטורות נמוכות מאוד לפני ההתעבות. הקפאתו קשה אף יותר, מכיוון שכוחותיה הבין-מולקולריים המבוססים על פיזור בלונדון, והקוטביות של האטומים שלה, חלשים מכדי לקושי לשמור עליהם מלוכדים בגביש.

בשל התגובה הנמוכה שלהם, הם גזים בטוחים יחסית לאחסון ואינם מהווים סיכונים רבים מדי. עם זאת, הם יכולים לעקוף חמצן מהריאות ולגרום לחנק אם נשפים יתר על המידה. מצד שני, שניים מחבריה הם גורמים רדיואקטיביים ביותר, ולכן קטלניים לבריאות.

התגובה הנמוכה של גזים אצילים משמשת גם כדי לספק תגובות עם אווירה אינרטית; כך ששום מגיב ומוצר לא מסתכן בחמצון והשפעה על ביצועי הסינתזה. זה גם מעדיף תהליכי ריתוך קשת חשמלי.

לעומת זאת, במצבים הנוזלים שלהם הם מקררים קריוגניים מצוינים שמבטיחים את הטמפרטורות הנמוכות ביותר, חיוניות להפעלה נכונה של ציוד אנרגטי במיוחד, או כדי שחומרים מסוימים יגיעו למצבים של מוליכות-על.

מאפייני גזים אצילים

מימין (מודגש בכתום), נמצאת קבוצת הגזים האצילים. מלמעלה למטה: הליום (הוא), ניאון (נ), ארגון (אר), קריפטון (קר), קסנון (קס) ורדון (רן).

אולי הגזים האצילים הם האלמנטים החולקים את האיכויות המשותפות ביותר, הן פיזיות והן כימיות. המאפיינים העיקריים שלו הם:

- כולם חסרי צבע, חסרי ריח וחסרי טעם; אך כאשר הם סגורים באמפולות בלחץ נמוך ומקבלים פריקה חשמלית, הם מייננים ומפיצים אורות צבעוניים (תמונה עליונה).

- לכל גז אצילי אור וספקטרום משלו.

- הם מינים מונומטיים, היחידים בטבלה המחזורית שיכולים להתקיים במצבים הפיזיים שלהם בהתאמה ללא השתתפות של קשרים כימיים (מכיוון שלמתכות מצטרפים קשרים מתכתיים). לכן הם מושלמים לחקר תכונות הגזים, מכיוון שהם מסתגלים היטב למודל הכדורי של גז אידיאלי.

- הם בדרך כלל האלמנטים עם נקודות ההיתוך והרתיחה הנמוכים ביותר; עד כדי כך שהליום אפילו לא יכול להתגבש באפס מוחלט ללא עליית לחץ.

- מבין כל היסודות הם הפחות תגוביים, אפילו פחות ממתכות אצילות.

- אנרגיות היינון שלהם הן הגבוהות ביותר, כמו גם האלקטרוניטיביות שלהם, בהנחה שהם יוצרים קשרים קוולנטיים גרידא.

- הרדיוסים האטומיים שלהם הם גם הקטנים ביותר מכיוון שהם מימין לקצה של כל תקופה.

7 הגזים האצילים

שבעת הגזים האצילים הם, מלמעלה למטה, יורדים דרך קבוצה 18 בטבלה המחזורית:

-הליו, הוא

ניאון, ני

ארגון, אר

-קריפטון, קר

קסנון, קס

ראדון, רן

-אוגנסון, אוג

כולם, למעט האוגנסון הבלתי יציב וה מלאכותי, נבדקו על תכונותיהם הפיזיות והכימיות. אוגנסון, בשל המסה האטומית הגדולה שלו, הוא האמין כי הוא אפילו לא גז, אלא נוזל אצילי או מוצק. מעט מאוד ידוע על רדון, בגלל הרדיואקטיביות שלו, יחסית להליום או לארגון.

תצורה אלקטרונית

נאמר כי גזים אצילים מלאים את קליפת הערך שלהם במלואה. עד כדי כך שתצורתם האלקטרונית משמשת לפישוט זה של אלמנטים אחרים על ידי שימוש בסמלים שלהם המצורפים בסוגריים (,,, וכו '). התצורות האלקטרוניות שלה הן:

-הליום: 1s ² , (2 אלקטרונים)

-נאון: 1s ² 2s ² 2p ⁶ , (10 אלקטרונים)

ארגון: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ , (18 אלקטרונים)

-קריפטון: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ , (36 אלקטרונים)

-קסנון: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶ , (54 אלקטרונים)

ראדון: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 4f ¹⁴ 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰ 6s ² 6p ⁶ , (86 אלקטרונים)

הדבר החשוב הוא לא לזכור אותם, אלא לפרט שהם מסתיימים ב- ns ² np ⁶ : octet valent. כמו כן, יש להבין כי לאטומים שלו אלקטרונים רבים, אשר בזכות הכוח הגרעיני האפקטיבי הגדול נמצאים בנפח קטן יותר בהשוואה לזה של שאר היסודות; כלומר, הרדיוסים האטומיים שלהם קטנים יותר.

לכן, הרדיוסים האטומיים הצפופים שלהם מראים מאפיין כימי שכל הגזים האציליים חולקים: הם קשים לקיטוב.

קיטוב

ניתן לדמיין גזים אצילים כספירות של ענני אלקטרונים. בזמן היורד דרך קבוצה 18, הרדיוסים שלה מתגברים, ובאותה צורה המרחק המפריד בין הגרעין לאלקטרונים הערכיים (אלה של ns ² np ⁶ ).

אלקטרונים אלה חשים כוח פחות מושך על ידי הגרעין, הם יכולים לנוע בצורה חופשית יותר; הכדוריות מתעוותות בקלות רבה ככל שהן גדולות יותר. כתוצאה מתנועות כאלה מופיעים אזורים בעלי צפיפות אלקטרונים נמוכה וגבוהה: הקטבים δ + ו- δ.

כאשר אטום הגז האצילי מקוטב, הוא הופך לדיפול מיידי המסוגל להניע עוד לאטום השכן; כלומר אנו עומדים בפני כוחות הפיזור של לונדון.

זו הסיבה שכוחות בין-מולקולריים מתגברים מהליום לרדון, המתבטאים בנקודות הרתיחה הגוברות שלהם; ולא רק זה, אלא גם תגובתם מחדש מוגברת.

ככל שהאטומים הופכים לקוטבים יותר, קיימת אפשרות גדולה יותר לכך שאלקטרונים הערכיים שלהם משתתפים בתגובות כימיות שלאחריהן נוצרות תרכובות גז אצילי.

תגובות

הליום וניאון

בין הגזים האצילים, הפחות תגובתי הם הליום וניאון. למעשה, ניאון הוא היסוד האינרטיבי מכולם, למרות שהאלקטרונגטיביות שלו (מיצירת קשרים קוולנטיים) עולה על זו של פלואור.

אף אחד מתרכובותיו אינו ידוע בתנאים יבשתיים; עם זאת, בקוסמוס קיומו של היון המולקולרי HeH ⁺ הוא די סביר . באופן דומה, כאשר הם מתרגשים אלקטרונית הם מסוגלים ליצור אינטראקציה עם אטומים גזים ויוצרים מולקולות ניטרליות קצרות-חיים המכונות excimers; כמו HeNe, CsNe ו- Ne ₂ .

מצד שני, אף על פי שאינם נחשבים לתרכובות במובן פורמלי, אטומי He and Ne יכולים להוליד מולקולות של ואן דר וולס; כלומר, תרכובות המוחזקות "יחד" פשוט על ידי כוחות פיזור. לדוגמה: Ag ₃ He, HeCO, HeI ₂ , CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ ו- NeBeCO ₃ .

באופן דומה, מולקולות כאלה של ואן דר וול יכולות להתקיים בזכות אינטראקציות דיפול חלשות הנגרמות על ידי יונים; לדוגמה: Na ⁺ He ₈ , Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ ו- Cu ⁺ Ne ₁₂ . שימו לב, אפילו מולקולות אלו אפשריות להפוך לאגרנות של אטומים: אשכולות.

ולבסוף, אטומי ה- He ו- Ne יכולים להיות "לכודים" או לשלב אותם במתחמים אנדו -דרדריים של פולרנים או clathrates, מבלי להגיב; לדוגמה: ₆₀ , (N ₂ ) ₆ Ne ₇ , He (H ₂ O) ₆ ו- Ne • NH ₄ Fe (HCOO) ₃ .

ארגון וקריפטון

הגזים האצילים ארגון וקריפטון, מכיוון שהם קוטבים יותר, נוטים להציג יותר "תרכובות" מאשר הליום וניאון. עם זאת, חלק מהם יציבים ומאפיינים יותר, מכיוון שיש להם אורך חיים ארוך יותר. בין חלקם נמצא HArF, והיון המולקולרי ArH ⁺ , שנמצא בערפיליות על ידי פעולת קרניים קוסמיות.

מקריפטון מתחילה האפשרות להשיג תרכובות בתנאים קיצוניים, אך קיימים. גז זה מגיב עם פלואור על פי המשוואה הכימית הבאה:

Kr + F ₂ → KrF ₂

שימו לב שקריפטון רוכשת מספר חמצון של +2 (Kr ²⁺ ) בזכות פלואור. ניתן למעשה לסנתז את KrF ₂ בכמויות סחירות כחומר מחמצן והפלרה.

ארגון וקריפטון יכולים להקים רפרטואר רחב של clathrates, קומפלקסים אנדוהדראליים, מולקולות ואן דר וולס, וכמה תרכובות הממתינות לגילוי לאחר קיומם החזוי.

קסנון ורדון

קסנון הוא מלך התגובה בקרב גזים אצילים. זה יוצר את התרכובות היציבות, הסחירות והמאפיינות באמת. למעשה, התגובה שלו דומה לזו של חמצן בתנאים המתאימים.

המתחם הסינתזה הראשון שלו היה "XePtF ₆ ", בשנת 1962 על ידי ניל ברטלט. מלח זה למעשה, על פי הספרות, כלל תערובת מורכבת של מלחי פלואורציה אחרים של קסנון ופלטינה.

עם זאת, די היה בכך כדי להדגים את הזיקה בין קסנון לפלואור. בין חלק מהתרכובות הללו יש לנו: XeF ₂ , XeF ₄ , XeF ₆ ו- ^{+ -} . כאשר XeF ₆ מתמוסס במים, הוא מייצר תחמוצת:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

XeO _{3 זה} מקורו במין המכונה קסנאטוס (HXeO ₄ ^- ) או חומצה קסני (H ₂ XeO ₄ ). קסנאטים חסרי פרופורציות לפרקסנאטים (XeO ₆ ^4- ); ואם המדיום מחומצן אז בחומצה פרוקסנית (H ₄ XeO ₆ ) המייבשת לכדי קסנון טטרוקסיד (XeO ₄ ):

H ₄ XeO ₆ → 2 H ₂ O + XeO ₄

ראדון צריך להיות התגובה ביותר מבין הגזים האצילים; אך הוא כה רדיואקטיבי עד שכמעט אין לו זמן להגיב לפני שהוא מתפרק. התרכובות היחידות שעברו סינתזה מלאה הן הפלואוריד שלה (RnF ₂ ) והתחמוצת (RnO ₃ ).

הפקה

ניזוק אוויר

הגזים האציליים נפוצים יותר ביקום כשאנחנו יורדים דרך קבוצה 18. אולם באטמוספירה, הליום הוא נדיר, מכיוון ששדה הכבידה של כדור הארץ אינו יכול לשמור עליו בניגוד לגזים אחרים. זו הסיבה שהוא לא התגלה באוויר אלא בשמש.

מצד שני, ישנן כמויות ניכרות של ארגון באוויר, שמקורן בירידה הרדיואקטיבית של הרדיואיזוטופ ⁴⁰ K. האוויר הוא המקור הטבעי החשוב ביותר לארגון, ניאון, קריפטון וקסנון על פני כדור הארץ.

כדי לייצר אותם, תחילה צריך להמיס את האוויר כך שהוא יתמצה בנוזל. לאחר מכן, נוזל זה עובר זיקוק חלקי, ובכך מפריד כל אחד ממרכיבי התערובת שלו (N ₂ , O ₂ , CO ₂ , Ar וכו ').

תלוי כמה נמוך הטמפרטורה ושפע הגז חייבים להיות, מחיריו עולים, ומדירים את קסנון כיקר ביותר, ואילו הליום כזול ביותר.

זיקוק גז טבעי ומינרלים רדיואקטיביים

הליום מצידו מתקבל מזיקוק שבר אחר; אך לא מאוויר, אלא מגז טבעי, מועשר בהליום בזכות שחרור חלקיקי אלפא ממינרלים רדיואקטיביים ואורניום.

כמו כן, רדון "נולד" מהתפרקות רדיואקטיבית של רדיום במינרלים המתאימים לו; אך בגלל השפע הנמוך שלהם, ומחצית החיים הקצר שלהם של אטומי ה- Rn, שפעם מגוחך בהשוואה לקבוצתם (שאר הגזים האצילים).

ולבסוף, אוגנסון הוא "גז", רדיואקטיבי מאוד, אולטרה-מעשי, מעשה ידי אדם, שיכול להתקיים רק בקצרה בתנאים מבוקרים במעבדה.

סכנות

הסיכון העיקרי לגזים אצילים הוא בכך שהם מגבילים את השימוש בחמצן על ידי האדם, במיוחד כאשר נוצרת אטמוספרה עם ריכוז גבוה מהם. לכן לא מומלץ לשאוף אותם בצורה מוגזמת.

בארצות הברית התגלה ריכוז גבוה של ראדון בקרקעות עשירות באורניום, אשר בשל מאפייניו הרדיואקטיביים עלול להוות סיכון בריאותי.

יישומים

תַעֲשִׂיָה

הליום וארגון משמשים ליצירת אווירה אינרטית להגנה בזמן הריתוך והחיתוך. בנוסף, הם משמשים בייצור מוליכים למחצה סיליקון. הליום משמש כגז מילוי במדחומים.

ארגון, בשילוב עם חנקן, משמש בייצור מנורות ליבון. קריפטון מעורבב עם הלוגנים, כגון ברום ויוד, משמש במנורות פריקה. ניאון משמש בסימנים קלים, מעורבב עם זרחן וגזים אחרים כדי לגוון את צבעו האדום.

קסנון משמש במנורות קשת הפולטות אור הדומה לאור יום, המשמשות בפנסי רכב ומקרנים לרכב. הגזים האצילים מעורבבים עם הלוגנים לייצור ArF, KrF או XeCl, המשמשים לייצור לייזרי אקסימרים.

לייזר מסוג זה מייצר אור אולטרה סגול גל קצר המפיק תמונות בעלות דיוק גבוה ומשמש בייצור מעגלים משולבים. הליום ונאון משמשים כגזי קירור קירוגיים.

בלונים ומכלי נשימה

הליום משמש כתחליף לחנקן בתערובת הגז הנשימתי, בגלל מסיסותו הנמוכה בגוף. זה נמנע מהיווצרות בועות בשלב הפירוק במהלך העלייה, בנוסף לביטול נרקוזה החנקן.

הליום החליף מימן כגז המאפשר העלאת ספינות אוויר ובלוני אוויר חם, מכיוון שמדובר בגז קל ולא דליק.

תרופה

הליום משמש בייצור המגנטים המוליכים העל המשמשים בציוד תהודה מגנטית גרעינית - כלי רב תכליתי ברפואה.

קריפטון משמש במנורות הלוגן המשמשות בניתוחי עיניים בלייזר ובאנגיופלסטיה. הליום משמש להקלה על הנשימה בקרב חולי אסטמה.

קסנון משמש כחומר הרדמה בגלל מסיסות השומנים הגבוהה שלו, ונחשבים שהוא חומר ההרדמה של העתיד. קסנון משמש גם בהדמיה רפואית של ריאות.

רדון, גז אצילי רדיואקטיבי, משמש בקרינה לסוגים מסוימים של סרטן.

אחרים

ארגון משמש בסינתזה של תרכובות המחליפות חנקן כאווירה אינרטית. הליום משמש כגז נשא בכרומטוגרפיה של גז, כמו גם במונים של גייגר למדידת קרינה.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
3. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (06 ביוני 2019). נכסים, שימושים ומקורות נובל גזים. התאושש מ: thoughtco.com
4. ויקיפדיה. (2019). גז אציל. התאושש מ: en.wikipedia.org
5. פיליפ בול. (2012, 18 בינואר). כימיה בלתי אפשרית: אילוץ גזים אצילים לעבוד. התאושש מ: newscientist.com
6. פרופסור פטרישיה שפלי. (2011). כימיה נובל לגז. התאושש מ: butane.chem.uiuc.edu
7. גארי ג'י שרובילגן. (28 בפברואר 2019). גז אציל. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com