Helowce

Grupa →	18 VIIIA
↓ Okres
1	2 He
2	10 Ne
3	18 Ar
4	36 Kr
5	54 Xe
6	86 Rn
7	118 Og

Helowce

Helowce, gazy szlachetne – pierwiastki chemiczne ostatniej, 18. grupy układu okresowego (daw. 0 lub VIII głównej). Do pierwiastków tych zalicza się hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon. Prawdopodobnie helowcem jest również syntetyczny pierwiastek oganeson.

Właściwości

Wszystkie helowce są bezbarwnymi, bezwonnymi, słabo rozpuszczającymi się w wodzie gazami. Mają niskie temperatury topnienia.

Właściwości fizyczne helowców
Helowiec	Masa atomowa [u]	Temperatura topnienia [K]^[i]	Temperatura wrzenia [K]^[i]	Stan skupienia	Elektroujemność (w skali Allreda-Rochowa)	Konfiguracja elektronowa
Hel, He	4	–^[ii]	4,22	gaz	5,50	1s²
Neon, Ne	20,18	24,56	27,07	gaz	4,84	[He]2s²2p⁶
Argon, Ar	39,95	83,80	87,30	gaz	3,20	[Ne]3s²3p⁶
Krypton, Kr	83,80	115,80	119,93	gaz	2,94	[Ar]4s²3d¹⁰4p⁶
Ksenon, Xe	131,30	161,40	165,1	gaz	2,40	[Kr]5s²4d¹⁰5p⁶
Radon, Rn	(222)^[iii]	202	211,30	gaz	2,2	[Xe]6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶
Oganeson, Og	(294)^[iii]			prawdopodobnie ciało stałe^[a]		[Rn]7s²5f¹⁴6d¹⁰7p⁶ (przewidywana)

↑ ^a ^b Pod ciśnieniem normalnym.
↑ Hel pod normalnym ciśnieniem nie przechodzi w stan stały nawet w najniższej osiągalnej temperaturze.
↑ ^a ^b Najtrwalszy znany izotop.

Pierwiastki te są wysoce niereaktywne. Wynika to z faktu, że nie zawierają one żadnych częściowo zapełnionych elektronami orbitali^[b], które mogłyby uczestniczyć w tworzeniu wiązań chemicznych. W dół grupy powoli zwiększa się reaktywność tych pierwiastków. Spowodowane jest to tym, że zwiększa się ich rozmiar, a z nim odległość elektronów walencyjnych od środka jądra.

Pomimo bardzo niskiej reaktywności lżejszych helowców, znane są nietrwałe związki helu: cząsteczka He
2^[1], jon HeH+
^[2] i LiHe^[3]. Na przełomie 2016/2017 doniesiono o otrzymaniu pierwszego stałego związku helu, Na
2He, który jest trwały termodynamicznie pod ciśnieniem powyżej 113 GPa (ok. 1,1×10⁶ atm). Tworzy kryształy o strukturze fluorytu^[4].

Znany jest też związek argonu – fluorowodorek argonu, otrzymany w temperaturze około 40 K.

Krypton i ksenon tworzą większą liczbę związków, lecz są one często trudne do uzyskania i niekiedy nietrwałe w temperaturze pokojowej. Działając ksenonem na heksafluorek platyny Neil Bartlett (opierając się na wcześniejszym odkryciu wraz z Lohmannem heksafluoroplatynianu dioksygenylu) otrzymał trwały czerwonopomarańczowy związek, heksafluoroplatynian ksenonu.

Stosunkowo najbardziej reaktywny jest radon. Istnieje trwały chemicznie związek – fluorek radonu RnF
2. Powstaje on z mieszaniny fluoru i radonu w temperaturze ok. 400 °C. Cząstka ta rozpada się jednak ze względu na radioaktywność radonu.

Hel, neon, argon i ksenon występują w niewielkich ilościach w powietrzu i dlatego podstawowym sposobem ich otrzymywania jest destylacja frakcyjna powietrza. Krypton i radon są produktami rozpadu promieniotwórczego uranu i toru, towarzyszą zwykle złożom rud tych metali, dzięki czemu można te złoża stosunkowo łatwo wykrywać.

Gazy szlachetne w niskich temperaturach tworzą kryształy związane słabymi oddziaływaniami van der Waalsa. Hel przy zerowym ciśnieniu nie krystalizuje nawet w temperaturach bliskich 0 K; dominującą rolę odgrywa tu energia drgań zerowych, która destabilizuje kryształ. Drgania zerowe powodują też zmniejszenie wartości energii kohezji kryształów w porównaniu z sumaryczną energią oddziaływań van der Waalsa. Ze względu na zależność energii drgań zerowych od masy to zmniejszenie jest tym większe, im mniejsza jest masa atomu (np. dla neonu zmniejsza ją o wartość 28%, a dla ksenonu – o 4%). Skutkuje to również różną wartością stałej sieci dla kryształów różnych izotopów danego gazu szlachetnego. Gazy szlachetne, z wyjątkiem helu, krystalizują w strukturze regularnej gęstego upakowania (fcc)^[5].

Gazy szlachetne emitujące światło widzialne pod wpływem wyładowań elektrycznych

Gazy szlachetne emitujące światło widzialne w silnym polu elektrycznym

Zastosowanie

Gazy szlachetne wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie potrzebna jest obojętna, beztlenowa atmosfera zapobiegająca reakcjom utleniania. Stosuje się je do napełniania żarówek, do prowadzenia reakcji wymagających obojętnych warunków i do spieniania tworzyw sztucznych.

Żaden z nich nie uczestniczy w procesach biologicznych, dlatego często używa się ich jako obojętnych gazów zapobiegających starzeniu się materiałów pochodzenia organicznego. Dla przykładu, oryginał Konstytucji oraz Deklaracji niepodległości Stanów Zjednoczonych przechowuje się w szczelnej gablocie wypełnionej helem.

Zobacz też

Uwagi

↑ Stały stan skupienia wynika z efektów relatywistycznych.
↑ Tzn. w stanie podstawowym wszystkie orbitale są albo wypełnione całkowicie, albo puste.

Przypisy

↑ W.W. Schöllkopf W.W., J.P.J.P. Toennies J.P.J.P., Nondestructive Mass Selection of Small van der Waals Clusters, „Science”, 266 (5189), 1994, s. 1345–1348, DOI: 10.1126/science.266.5189.1345, PMID: 17772840 (ang.).
↑ T.R.T.R. Hogness T.R.T.R., E.G.E.G. Lunn E.G.E.G., The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis, „Physical Review”, 26 (1), 1925, s. 44–55, DOI: 10.1103/PhysRev.26.44 (ang.).
↑ N.N. Tariq N.N. i inni, Spectroscopic detection of the LiHe molecule, „Physical Review Letters”, 110 (15), 2013, s. 153201, DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.153201, PMID: 25167262 (ang.).
↑ XiaoX. Dong XiaoX. i inni, A stable compound of helium and sodium at high pressure, „Nature Chemistry”, 2017, DOI: 10.1038/nchem.2716 (ang.).
↑ CharlesCh. Kittel CharlesCh., Wstęp do fizyki ciała stałego, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999, s. 75–83, ISBN 83-01-12706-6 .

[norm-1] Pod ciśnieniem normalnym.

[2] Hel pod normalnym ciśnieniem nie przechodzi w stan stały nawet w najniższej osiągalnej temperaturze.

[izotop-3] Najtrwalszy znany izotop.

[4] Stały stan skupienia wynika z efektów relatywistycznych.

[5] Tzn. w stanie podstawowym wszystkie orbitale są albo wypełnione całkowicie, albo puste.

[Schöllkopf-6] W.W. Schöllkopf W.W., J.P.J.P. Toennies J.P.J.P., Nondestructive Mass Selection of Small van der Waals Clusters, „Science”, 266 (5189), 1994, s. 1345–1348, DOI: 10.1126/science.266.5189.1345, PMID: 17772840 (ang.).

[Hogness-7] T.R.T.R. Hogness T.R.T.R., E.G.E.G. Lunn E.G.E.G., The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis, „Physical Review”, 26 (1), 1925, s. 44–55, DOI: 10.1103/PhysRev.26.44 (ang.).

[Tariq-8] N.N. Tariq N.N. i inni, Spectroscopic detection of the LiHe molecule, „Physical Review Letters”, 110 (15), 2013, s. 153201, DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.153201, PMID: 25167262 (ang.).

[Dong2017-9] XiaoX. Dong XiaoX. i inni, A stable compound of helium and sodium at high pressure, „Nature Chemistry”, 2017, DOI: 10.1038/nchem.2716 (ang.).

[10] CharlesCh. Kittel CharlesCh., Wstęp do fizyki ciała stałego, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999, s. 75–83, ISBN 83-01-12706-6 .

[i]

[ii]

[iii]

[a]

[b]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

Grupy	1 – litowce (metale alkaliczne) 2 – berylowce (metale ziem alkalicznych) 3 – skandowce 4 – tytanowce 5 – wanadowce 6 – chromowce 7 – manganowce 8 – żelazowce 9 – kobaltowce 10 – niklowce 11 – miedziowce 12 – cynkowce 13 – borowce 14 – węglowce 15 – azotowce (pniktogeny) 16 – tlenowce (chalkogeny) 17 – fluorowce (chlorowce, halogeny) 18 – helowce (gazy szlachetne)
Okresy	1 2 3 4 5 6 7 8
Bloki	blok s blok p blok d blok f blok g