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].

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