Helowce

Pod względem konfiguracji elektronowej hel powinien zajmować miejsce w układzie okresowym w bloku s, ale pod względem właściwości przypomina zdecydowanie lepszym miejscem dla helu jest 18 grupa układu okresowego. To właśnie od niego pochodzi nazwa tej grupy - helowce. Wszystkie pierwiastki z grupy helowców są bezbarwnymi gazami. Występują w atmosferze w postaci pojedynczych atomów.

Jakie pierwiastki należą do helowców?

RlBNsOfPpMDp81

Na ilustracji jest układ okresowy pierwiastków. Zawiera on wszystkie znane pierwiastki chemiczne, które są ułożone według rosnącej liczby atomowej. Liczba atomowa informuje zarówno o ilości protonów wchodzących w skład danego jądra, jak i liczbie elektronów w atomie niezjonizowanym, która ma decydujący wpływ na właściwości chemiczne atomu. Ułożenie pierwiastków w układzie okresowym wynika z ich budowy wewnętrznej - z liczby powłok elektronowych danego atomu oraz liczby elektronów znajdujących się na ostatniej, zewnętrznej powłoce. Pierwiastki znajdujące się w tych samych wierszach (okresach) układu okresowego posiadają tę samą liczbę powłok elektronowych, więc są one opisane tą samą główną liczbą kwantową. Kolumny układu, czyli grupy, zawierają z reguły pierwiastki posiadające tę samą liczbę elektronów w zewnętrznej powłoce. W układzie kolorem fioletowym została wyszczególniona ostatnia, osiemnasta grupa zawierająca helowce. Są to koljeno, idąc w dół grupy, hel He (liczba atomowa dwa, masa atomowa 4,00), neon Ne (liczba atomowa 10, masa atomowa 20,18), argon Ar (liczba atomowa 18, masa atomowa 39,95), krypton Kr (liczba atomowa 36, masa atomowa 83,80), ksenon Xe (liczba atomowa 54, masa atomowa 131,29), radon Rn (liczba atomowa 86, masa atomowa 222,02) oraz oganeson Og (liczba atomowa 118, masa atomowa 294,21). — Gazy szlachetne znajdują się w 18. grupie układu okresowego pierwiastków.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1drcqs2MAMI7

Ilustracja przedstawiająca dane pochodzące z układu okresowego dla pierwiastka helu. W prostokątnym polu znajduje się symbol He, liczba atomowa 2, średnia liczba masowa 4,002602, temperatura topnienia 0,95 Kelwina, temperatura wrzenia 4,22 Kelwina, gęstość 0,126 gramów na centymetr sześcienny po skropleniu w temperaturze wrzenia. Symbol G oznacza gaz - stan skupienia w warunkach normalnych. Konfiguracja elektronowa pełna podpowłokowa w stanie podstawowym: 1s2. — Hel
Źródło: GroMar Sp. z o. o. na podstawie Mizerski W., *Tablice chemiczne*, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 2008, licencja: CC BY-SA 3.0.

RVgkr9cw0XdDA

Ilustracja przedstawiająca dane pochodzące z układu okresowego dla pierwiastka neonu. W prostokątnym polu znajduje się symbol Ne, liczba atomowa 10, średnia liczba masowa 20,1797, temperatura topnienia 24,57 Kelwina, temperatura wrzenia 27,10 Kelwina, gęstość 1,20 gramów na centymetr sześcienny w po skropleniu w temperaturze wrzenia. Symbol G oznacza gaz - stan skupienia w warunkach normalnych. Konfiguracja elektronowa pełna podpowłokowa skrócona w stanie podstawowym zawierająca rdzeń gazu szlachetnego: He2s22p6. — Neon
Źródło: GroMar Sp. z o. o. na podstawie Mizerski W., *Tablice chemiczne*, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 2008, licencja: CC BY-SA 3.0.

RWRvNdFEuu2Ge

Ilustracja przedstawiająca dane pochodzące z układu okresowego dla pierwiastka argonu. W prostokątnym polu znajduje się symbol Ar, liczba atomowa 18, średnia liczba masowa 39,948, temperatura topnienia 83,82 Kelwina, temperatura wrzenia 87,29 Kelwina, gęstość 1,40 gramów na centymetr sześcienny po skropleniu w temperaturze wrzenia. Symbol G oznacza gaz - stan skupienia w warunkach normalnych. Konfiguracja elektronowa pełna podpowłokowa skrócona w stanie podstawowym zawierająca rdzeń gazu szlachetnego: Ne3s23p6. — Argon
Źródło: GroMar Sp. z o. o. na podstawie Mizerski W., *Tablice chemiczne*, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 2008, licencja: CC BY-SA 3.0.

R7yGg60sgS4fp

Ilustracja przedstawiająca dane pochodzące z układu okresowego dla pierwiastka kryptonu. W prostokątnym polu znajduje się symbol Kr, liczba atomowa 36, średnia liczba masowa 83,798, temperatura topnienia 115,95 Kelwina, temperatura wrzenia 119,75 Kelwina, gęstość 2,16 gramów na centymetr sześcienny po skropleniu w temperaturze wrzenia. Symbol G oznacza gaz - stan skupienia w warunkach normalnych. Konfiguracja elektronowa pełna podpowłokowa skrócona w stanie podstawowym zawierająca rdzeń gazu szlachetnego: Ar 4s23d104p6. — Krypton
Źródło: GroMar Sp. z o. o. na podstawie Mizerski W., *Tablice chemiczne*, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 2008, licencja: CC BY-SA 3.0.

R1aZls37M5OJg

Ilustracja przedstawiająca dane pochodzące z układu okresowego dla pierwiastka ksenonu. W prostokątnym polu znajduje się symbol Xe, liczba atomowa 54, średnia liczba masowa 131,293, temperatura topnienia 161,35 Kelwina, temperatura wrzenia 166,05 Kelwina, gęstość 2,98 gramów na centymetr sześcienny po skropleniu w temperaturze wrzenia. Symbol G oznacza gaz - stan skupienia w warunkach normalnych. Konfiguracja elektronowa pełna podpowłokowa skrócona w stanie podstawowym zawierająca rdzeń gazu szlachetnego: Kr 5s24d105p6. — Ksenon
Źródło: GroMar Sp. z o. o. na podstawie Mizerski W., *Tablice chemiczne*, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 2008, licencja: CC BY-SA 3.0.

R1VZD0yUBuEKf

Ilustracja przedstawiająca dane pochodzące z układu okresowego dla pierwiastka radonu. W prostokątnym polu znajduje się symbol Rn, liczba atomowa 86, średnia liczba masowa (222,018), temperatura topnienia 202,15 Kelwina, temperatura wrzenia 211,45 Kelwina, gęstość 4,4 gramów na centymetr sześcienny po skropleniu w temperaturze wrzenia. Symbol G oznacza gaz - stan skupienia w warunkach normalnych. Konfiguracja elektronowa pełna podpowłokowa skrócona w stanie podstawowym zawierająca rdzeń gazu szlachetnego: Xe 6s24f145d106p6. — Radon
Źródło: GroMar Sp. z o. o. na podstawie Mizerski W., *Tablice chemiczne*, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 2008, licencja: CC BY-SA 3.0.

REQaNEDNzyMqd

Ćwiczenie 1

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Pod względem zawartości procentowej wyrażonej w procentach objętościowych, argon jest trzecim po tlenie i azocie, składnikiem powietrza. Średni skład suchego powietrza pokazuje poniższa tabela.

Składnik	Zawartość		Temperatura wrzenia $[K]$
Składnik	% objętościowy	% masowy	Temperatura wrzenia $[K]$
azot	$78,09$	$75,51$	$77,3$
tlen	$20,95$	$23,15$	$90,1$
argon	$0,93$	$1,28$	$87,2$
neon	$0,0018$	$0,0013$	$27,2$
krypton	$0,0001$	$0,0003$	$121,0$
ksenon	$0,0000087$	$0,00004$	$165,0$
hel	$0,00052$	$0,00007$	$4,2$
wodór	$0,00005$	$0,000003$	$20,3$
tlenek węgla( $IV$ )	$0,03$	$0,05$	-

Indeks dolny Źródło: Sołoniewicz R., Pierwiastki chemiczne grup głównych, Warszawa 1989, s. 57. Indeks dolny koniec

Ćwiczenie 2

Przeanalizuj powyższą tabelę pod względem zawartości helowców w powietrzu. Którego z nich jest najwięcej, a którego najmniej?

RyvNpAqqF34rs

Źródłem helowców jest powietrze. Uzyskuje się je ze skroplonego powietrza, ale tylko jeden z nich wyróżnia się pod względem jego zawartości w powietrzu – mowa tu o argonie, występującym w ilości $0,93 %$ objętościowych. Najmniej jest helu – $5,2 \cdot 10^{- 4} %$ objętościowych.

Ciekawostka

Jakie jest pochodzenie nazw gazów szlachetnych?

Określenia helowców pochodzą z języka greckiego. Analizując je, dowiemy się, że:

argon został odkryty jako pierwszy i ze względu na bierność chemiczną otrzymał z jęz. grec. nazwę argos, co oznacza „nieczynny”;
hel wykryto najpierw na Słońcu, a dopiero później na Ziemi – greckie helios oznacza właśnie „słońce”.

Z kolei nazwy pozostałych helowców pochodzą od:

neon – grec. neos,, czyli „nowy”;
krypton – grec. kryptos, czyli „ukryty”;
ksenon – grec. ksenos, czyli „obcy”.

R1SIQYzqXVrqm1

Zdjęcie przedstawia jarzeniówki z gazami szlachetnymi, święcącymi na następujące kolory: hel jasnofioletowy, neon czerwony, argon ciemnofioletowy, krypton biało‑niebieski, ksenon biało‑fioletowo‑niebieski. — Pod wpływem wyładowań jarzeniowych (wyładowań elektrycznych) gazy szlachetne emitują światło widzialne o różnych barwach. Zjawisko to wykorzystano w lampach neonowych.
Źródło: Alchemist-hp, dostępny w internecie: wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 2.0.

RfVbbiagbv5GL1

Polecenie 1

Jakie właściwości fizyczne posiadają helowce? Zapoznaj się z wykresem interaktywnym, przedstawiającym wybrane właściwości fizyczne gazów szlachetnych, a następnie przejdź do odpowiedzi na pytania przedstawione poniżej.

Jakie właściwości fizyczne posiadają helowce? Zapoznaj się opisem wykresu interaktywnego, przedstawiającego wybrane właściwości fizyczne gazów szlachetnych, a następnie przejdź do odpowiedzi na pytania przedstawione poniżej.

Rej1aAh2vQuvQ1

Wykres. Lista elementów:

1. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: He
liczba atomowa Z: 2
średnia masa molowa (g/mol): 4,00
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 0,1785
temperatura topnienia (K): 0,95
temperatura wrzenia (K): 4,4
promień atomowy (ppm): 31
elektroujemność w skali Allreda: 4,16
entalpia parowania (kJ/mol): 0,08
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 8,61

2. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Ne
liczba atomowa Z: 10
średnia masa molowa (g/mol): 20,18
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 0,9000
temperatura topnienia (K): 24,7
temperatura wrzenia (K): 27,3
promień atomowy (ppm): 38
elektroujemność w skali Allreda: 4,79
entalpia parowania (kJ/mol): 1,74
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 10,5

3. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Ar
liczba atomowa Z: 18
średnia masa molowa (g/mol): 39,95
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 1,7839
temperatura topnienia (K): 83,6
temperatura wrzenia (K): 87,4
promień atomowy (ppm): 71
elektroujemność w skali Allreda: 3,24
entalpia parowania (kJ/mol): 6,52
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 33,6

4. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Kr
liczba atomowa Z: 36
średnia masa molowa (g/mol): 83,80
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 3,7493
temperatura topnienia (K): 115,8
temperatura wrzenia (K): 121,5
promień atomowy (ppm): 88
elektroujemność w skali Allreda: 2,97
entalpia parowania (kJ/mol): 9,05
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 59,5

5. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Xe
liczba atomowa Z: 54
średnia masa molowa (g/mol): 131,29
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 5,8971
temperatura topnienia (K): 161,7
temperatura wrzenia (K): 166,6
promień atomowy (ppm): 10,8
elektroujemność w skali Allreda: 2,58
entalpia parowania (kJ/mol): 12,65
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 108,1

6. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Rn
liczba atomowa Z: 86
średnia masa molowa (g/mol): 222,00
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 9,7300
temperatura topnienia (K): 202,2
temperatura wrzenia (K): 211,5
promień atomowy (ppm): 120
elektroujemność w skali Allreda: 2,6
entalpia parowania (kJ/mol): 18,1
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 230

Wykres. Lista elementów:

1. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: He
liczba atomowa Z: 2
średnia masa molowa (g/mol): 4,00
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 0,1785
temperatura topnienia (K): 0,95
temperatura wrzenia (K): 4,4
promień atomowy (ppm): 31
elektroujemność w skali Allreda: 4,16
entalpia parowania (kJ/mol): 0,08
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 8,61

2. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Ne
liczba atomowa Z: 10
średnia masa molowa (g/mol): 20,18
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 0,9000
temperatura topnienia (K): 24,7
temperatura wrzenia (K): 27,3
promień atomowy (ppm): 38
elektroujemność w skali Allreda: 4,79
entalpia parowania (kJ/mol): 1,74
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 10,5

3. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Ar
liczba atomowa Z: 18
średnia masa molowa (g/mol): 39,95
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 1,7839
temperatura topnienia (K): 83,6
temperatura wrzenia (K): 87,4
promień atomowy (ppm): 71
elektroujemność w skali Allreda: 3,24
entalpia parowania (kJ/mol): 6,52
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 33,6

4. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Kr
liczba atomowa Z: 36
średnia masa molowa (g/mol): 83,80
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 3,7493
temperatura topnienia (K): 115,8
temperatura wrzenia (K): 121,5
promień atomowy (ppm): 88
elektroujemność w skali Allreda: 2,97
entalpia parowania (kJ/mol): 9,05
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 59,5

5. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Xe
liczba atomowa Z: 54
średnia masa molowa (g/mol): 131,29
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 5,8971
temperatura topnienia (K): 161,7
temperatura wrzenia (K): 166,6
promień atomowy (ppm): 10,8
elektroujemność w skali Allreda: 2,58
entalpia parowania (kJ/mol): 12,65
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 108,1

6. zestaw danych:

[bold]Symbole pierwiastków[/]: Rn
liczba atomowa Z: 86
średnia masa molowa (g/mol): 222,00
gęstość w 20°C (kg/m[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]): 9,7300
temperatura topnienia (K): 202,2
temperatura wrzenia (K): 211,5
promień atomowy (ppm): 120
elektroujemność w skali Allreda: 2,6
entalpia parowania (kJ/mol): 18,1
rozpuszczalność w wodzie przy 20°C (cm[baseline‑shift: super; font‑size: smaller;]3[/]/kg): 230

Grafika interaktywna pt. „Właściwości fizyczne gazów szlachetnych”

Źródło: GroMar Sp. z o.o., opracowano na podstawie Sawicka J., Janich‑Kilian A., Cejnert‑Mania W., Urbańczyk G., Tablice chemiczne, Gdańsk 2002, Podkowa, s. 209‑213, licencja: CC BY-SA 3.0.

Wykres przedstawiający właściwości fizyczne helowców. Lista elementów:

$1 .$ zestaw danych:
- symbol pierwiastka: $He$
- liczba atomowa $Z$ : $2$
- średnia masa molowa $[\frac{g}{mol}]$ : $4,00$
- gęstość w $20 ° C$ $[\frac{kg}{m^{3}}]$ : $0,1785$
- temperatura topnienia $[K]$ : $0,95$
- temperatura wrzenia $[K]$ : $4,4$
- promień atomowy $[ppm]$ : $31$
- elektroujemność w skali Allreda: $4,16$
- entalpia parowania $[\frac{kJ}{mol}]$ : $0,08$
- rozpuszczalność w wodzie przy $20 ° C$ $[\frac{{cm}^{3}}{kg}]$ : $8,61$
$2 .$ zestaw danych:
- symbol pierwiastka: $Ne$
- liczba atomowa $Z$ : $10$
- średnia masa molowa $[\frac{g}{mol}]$ : $20,18$
- gęstość w $20 ° C$ $[\frac{kg}{m^{3}}]$ : $0,9000$
- temperatura topnienia $[K]$ : $24,7$
- temperatura wrzenia $[K]$ : $27,3$
- promień atomowy $[ppm]$ : $38$
- elektroujemność w skali Allreda: $4,79$
- entalpia parowania $[\frac{kJ}{mol}]$ : $1,74$
- rozpuszczalność w wodzie przy $20 ° C$ $[\frac{{cm}^{3}}{kg}]$ : $10,5$
$3 .$ zestaw danych:
- symbol pierwiastka: $Ar$
- liczba atomowa $Z$ : $18$
- średnia masa molowa $[\frac{g}{mol}]$ : $39,95$
- gęstość w $20 ° C$ $[\frac{kg}{m^{3}}]$ : $1,7839$
- temperatura topnienia $[K]$ : $83,6$
- temperatura wrzenia $[K]$ : $87,4$
- promień atomowy $[ppm]$ : $71$
- elektroujemność w skali Allreda: $3,24$
- entalpia parowania $[\frac{kJ}{mol}]$ : $6,52$
- rozpuszczalność w wodzie przy $20 ° C$ $[\frac{{cm}^{3}}{kg}]$ : $33,6$
$4 .$ zestaw danych:
- symbol pierwiastka: $Kr$
- liczba atomowa $Z$ : $36$
- średnia masa molowa $[\frac{g}{mol}]$ : $83,80$
- gęstość w $20 ° C$ $[\frac{kg}{m^{3}}]$ : $3,7493$
- temperatura topnienia $[K]$ : $115,8$
- temperatura wrzenia $[K]$ : $121,5$
- promień atomowy $[ppm]$ : $88$
- elektroujemność w skali Allreda: $2,97$
- entalpia parowania $[\frac{kJ}{mol}]$ : $9,05$
- rozpuszczalność w wodzie przy $20 ° C$ $[\frac{{cm}^{3}}{kg}]$ : $59,5$
$5 .$ zestaw danych:
- symbol pierwiastka: $Xe$
- liczba atomowa $Z$ : $54$
- średnia masa molowa $[\frac{g}{mol}]$ : $131,29$
- gęstość w $20 ° C$ $[\frac{kg}{m^{3}}]$ : $5,8971$
- temperatura topnienia $[K]$ : $161,7$
- temperatura wrzenia $[K]$ : $166,6$
- promień atomowy $[ppm]$ : $10,8$
- elektroujemność w skali Allreda: $2,58$
- entalpia parowania $[\frac{kJ}{mol}]$ : $12,65$
- rozpuszczalność w wodzie przy $20 ° C$ $[\frac{{cm}^{3}}{kg}]$ : $108,1$
$6 .$ zestaw danych:
- symbol pierwiastka: $Rn$
- liczba atomowa $Z$ : $86$
- średnia masa molowa $[\frac{g}{mol}]$ : $222,00$
- gęstość w $20 ° C$ $[\frac{kg}{m^{3}}]$ : $9,7300$
- temperatura topnienia $[K]$ : $202,2$
- temperatura wrzenia $[K]$ : $211,5$
- promień atomowy $[ppm]$ : $120$
- elektroujemność w skali Allreda: $2,6$
- entalpia parowania $[\frac{kJ}{mol}]$ : $18,1$
- rozpuszczalność w wodzie przy $20 ° C$ $[\frac{{cm}^{3}}{kg}]$ : $230$

Ćwiczenie 3

Na podstawie wykresu odpowiedz na pytanie: jak zmienia się gęstość oraz temperatury wrzenia i topnienia w grupie helowców?

RxzxU5TIs5FOU

R15uJycwVzh0G

Ćwiczenie 4

Ćwiczenie 5

Dlaczego $I$ energia jonizacji maleje w grupie helowców?

RinmtVRHvmqKF

Wykres kolumnowy przedstawiający wartości $I$ energii jonizacji helowców podane w $\frac{kJ}{mol}$ . Lista elementów:

$1 .$ zestaw danych:
- Symbol pierwiastka: $He$
- $I$ energia jonizacji $[\frac{kJ}{mol}]$ : $2372$
$2 .$ zestaw danych:
- Symbol pierwiastka: $Ne$
- $I$ energia jonizacji $[\frac{kJ}{mol}]$ : $2080$
$3 .$ zestaw danych:
- Symbol pierwiastka: $Ar$
- $I$ energia jonizacji $[\frac{kJ}{mol}]$ : $1520$
$4 .$ zestaw danych:
- Symbol pierwiastka: $Kr$
- $I$ energia jonizacji $[\frac{kJ}{mol}]$ : $1351$
$5 .$ zestaw danych:
- Symbol pierwiastka: $Xe$
- $I$ energia jonizacji $[\frac{kJ}{mol}]$ : $1170$
$6 .$ zestaw danych:
- Symbol pierwiastka: $Rn$
- $I$ energia jonizacji $[\frac{kJ}{mol}]$ : $1037$

R1HClMD5Rb1IN

Co sprawia, że pierwiastki $18 .$ grupy układu okresowego niechętnie wchodzą w reakcje chemiczne lub nie reagują wcale?

Celem tworzenia wiązań chemicznych przez atomy jest osiągnięcie najkorzystniejszej konfiguracji elektronowej.

Najlżejsze pierwiastki, takie jak wodór czy lit, zwykle dążą do osiągnięcia tzw. dubletu elektronowego, czyli do konfiguracji, w której posiadają tylko dwa elektrony na podpowłoce $1 s$ . W przypadku wodoru, wymaga to przyjęcia lub uwspólnienia jednego elektronu z innym atomem, a w przypadku litu – oddania jednego elektronu i przekształcenia się w kation litu ${Li}^{+}$ .

Cięższe atomy osiągają trwałe konfiguracje zwykle poprzez zapełnienie zewnętrznej powłoki elektronowej $8$ elektronami, opisanymi orbitalami typu $s$ i $p$ . Natomiast ze wzrostem liczby atomowej pojawiaja się kolejne odstępstwa i wyjątki od tej reguły. Do utworzenia wiązania chemicznego dochodzi, gdy energia powstałego związku jest niższa od sumy energii atomów tworzących dany związek. Dla przykładu: atom fluoru posiada siedem elektronów walencyjnych ( $2 s^{2} 2 p^{5}$ ), natomiast atom wodoru – tylko jeden ( $1 s^{1}$ ). W wyniku kombinacji liniowej orbitali $1 s$ wodoru i $2 p_{x}$ fluoru, powstają dwa orbitale molekularne – wiążący ( $σ$ , czyt. sigma) i niewiążący ( $σ^{*}$ ). Orbital $σ$ wiążący, na którym znajduje się para elektronów tworzących wiązanie, ma niższą energię niż orbitale pojedynczych atomów (wodoru i fluoru). Utworzenie takiego wiązania jest zatem korzystne energetycznie.

R1693B4biaYAg

Ilustracja przedstawia diagram poziomów energetycznych orbitali w cząsteczce fluorowodoru HF. W lewej części znajduje się pionowa strzałka skierowana do góry opisująca energię E, idąc w prawą stronę zostały przedstawione poziomy dla orbitali atomowych fluoru na środku dla orbitali powstałych w cząsteczce fluorowodoru i wreszcie po prawej stronie diagramu poziomy dla orbitali atomowych wodoru. Elektrony na schemacie symbolizowane są przez pionowo zlokalizowane strzałki, w przypadku pary elektronowej jedna ze strzałek skierowana jest do góry, a druga do dołu. Fluor posiada dwa elektrony na najniżej energetycznym orbitalu 2 s indeks dolny F koniec indeksu (znajdującym się najniżej na diagramie, na poziomej kresce rozrysowane są dwie strzałki, jak wspomniano pierwsza skierowana do góry, a druga do dołu). Na wyższym poziomie znajduje się pięć elektronów orbitalu 2 p indeks dolny F koniec indeksu. Dwa są sparowane i jeden niesparowany (przedstawiony na trzeciej z kolei poziomej kresce). Natomiast wodór posiada jeden niesparowany elektron na powłoce 1 s indeks dolny H koniec indeksu. Poziom energetyczny orbitalu 1 s wodoru jest wyżej energetyczny niż 2 p indeks dolny F koniec indeksu atomu fluoru. Poziomy energetyczne dla cząsteczki zostały rozrysowane poprzez poprowadzenie przerywanych linii od poziomu dla 2 p indeks dolny F koniec indeksu, w prawą stronę po skosie do góry i po skosie do dołu. Oraz poprowadzenie przerywanych linii od poziomu dla 1 s indeks dolny H koniec indeksu w lewą stronę po skosie do dołu i po skosie do góry. Przerywane linie od 2 p i 1 s łączą się na poziomach odpowiadających poziomom orbitali sigma, odpowiednio wiążącego sigma, niżej energetycznego i sigma z gwiazdką wyżej energetycznego, który to jest orbitalem antywiążącym. Poziomy energetyczne orbitali w cząsteczce fluorowodoru H F obsadzone są następująco: dwa elektronu na orbitalu 2 s fluoru, dwa elektrony na orbitalu wiążącym sigma indeks dolny H F koniec indeksu, dalej dwa elektrony na orbitalu 2 p y fluoru i dwa na 2 p z fluoru znajdującym się na tym samym poziomie energetycznym co 2 p indeks dolny F koniec indeksu. Następnie orbital sigma z gwiazdką indeks dolny H F koniec indeksu jest nieobsadzony. Przerwa energetyczna pomiędzy orbitalem 2 p fluoru a 1 s wodoru wynosi 3,8 elektronowolta. — Poziomy energetyczne orbitali w cząsteczce fluorowodoru $HF$
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie: A. Bielański, *Podstawy chemii nieorganicznej*, Warszawa 2010, s. 141., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jeśli zapiszesz konfiguracje elektronowe atomów pierwiastków $18 .$ grupy układu okresowego w stanie podstawowym, to z łatwością zauważysz, że spełniają one warunki, które kilka zdań wcześniej opisaliśmy jako warunki osiągniecia tzw. trwałej konfiguracji elektronowej. Hel bowiem posiada dwa elektrony na orbitalu $1 s$ , podczas gdy wszystkie pozostałe gazy szlachetne mają obsadzoną zewnętrzną powłokę elektronową – konkretnie orbitale typu $s$ i typu $p$ – $8$ elektronami. Zatem pierwiastki te nie mają potrzeby tworzenia wiązań chemicznych.

Wskazaliśmy, że podstawowym celem tworzenia wiązań jest osiągnięcie trwałej konfiguracji elektronowej, a atomy helowców osiągają opisane konfiguracje trwałe w stanie wolnym, bez tworzenia wiązań chemicznych. Potwierdzają to wysokie wartości pierwszej energii jonizacji, które dla helowców przyjmują wartości większe od $1 \frac{MJ}{mol}$ , podczas gdy np. dla sodu, który chętnie oddaje elektron, energia ta przyjmuje wartość $4,96 \cdot 10^{- 5} \frac{J}{mol}$ .

Konfiguracja elektronowa oraz wartość $I$ energii jonizacji pierwiastków $18 .$ grupy układu okresowego:

Pierwiastek	Konfiguracja elektronowa	Energia jonizacji $[\frac{MJ}{mol}]$
Hel	$1 s^{2}$	$2,372$
Neon	$[He] 2 s^{2} 2 p^{6}$	$2,081$
Argon	$[Ne] 3 s^{2} 3 p^{6}$	$1,521$
Krypton	$[Ar] 4 s^{2} 3 d^{10} 4 p^{6}$	$1,35$
Ksenon	$[Kr] 5 s^{2} 4 d^{10} 5 p^{6}$	$1,170$
Radon	$[Xe] 6 s^{2} 4 f^{14} 5 d^{10} 6 p^{6}$	$1,037$

Nie oznacza to, że helowce w ogóle nie tworzą związków chemicznych. Reaktywność tych pierwiastków zwiększa się w dół grupy. Związane jest to ze wzrostem odległości elektronów walencyjnych od jądra. Im dalej elektron walencyjny znajduje się od jądra, tym słabiej jest z nim związany (łatwiej go oderwać). W dół grupy maleje energia jonizacji tych pierwiastków.

Pierwszym otrzymanym związkiem ksenonu był heksafluoroplatynian ksenonu ${XePtF}_{6}$ – czerwonopomarańczowe ciało stałe zsyntetyzowane w $1962$ roku. Powstał w wyniku reakcji heksafluorku platyny z ksenonem w temperaturze pokojowej. Atom ksenonu posiada dostatecznie niską energię jonizacji, aby mógł oddawać elektrony atomom innych pierwiastków o silnej elektroujemności (np. fluorowi). Ksenon jest helowcem o największej liczbie zsyntetyzowych związków.

${PtF}_{6} + Xe \to {XePtF}_{6}$

To odkrycie przyczyniło się do rozpoczęcia prac nad syntezą innych związków helowców.

Ksenon w specjalnych warunkach (temperatura, ciśnienie) tworzy związki z fluorem oraz z tlenem, takie jak np.:

difluorek ksenonu ${XeF}_{2}$ (fluorek ksenonu( $II$ ));
tetrafluorek ksenonu ${XeF}_{4}$ (fluorek ksenonu( $IV$ ));
heksafluorek ksenonu ${XeF}_{6}$ (fluorek ksenonu( $VI$ )) (otrzymany pod wyższymi ciśnieniami).

Tworzy także związki z tlenem, takie jak: tritlenek ksenonu ${XeO}_{3}$ (tlenek ksenonu( $VI$ ), kwas ksenonowy $H_{2} {XeO}_{4}$ .

Symulacja 1

Przeanalizuj poniższą symulację i odpowiedz na pytanie zawarte w tytule lekcji: „Co sprawia, że pierwiastki $18 .$ grupy układu okresowego niechętnie wchodzą w reakcje chemiczne lub nie reagują wcale”? Zwróć szczególną uwagę na zapełnienie powłok walencyjnych w atomach tych pierwiastków.

Zapoznaj się z opisem symulacji interaktywnej i odpowiedz na pytanie zawarte w tytule lekcji: „Co sprawia, że pierwiastki $18 .$ grupy układu okresowego niechętnie wchodzą w reakcje chemiczne lub nie reagują wcale”? Zwróć szczególną uwagę na zapełnienie powłok walencyjnych w atomach tych pierwiastków.

R1ZFiUdDNO9RG

Symulacja interaktywna pt. „Konfiguracje elektronowe pierwiastków $18 .$ grupy układu okresowego”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., Agata Krzak, licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźgreenwhite

Ćwiczenie 6

Na podstawie przeprowadzonych symulacji wskaż, ile elektronów znajduje się na powłoce walencyjnej helowców. Podaj konfigurację elektronową ostatniej powłoki.

R1DY9GGypiWp7

Ćwiczenie 7

Na podstawie powyższej symulacji napisz, dlaczego atomy wymienionych w niej pierwiastków niechętnie wchodzą w reakcji lub nie reagują wcale.

RR3NFw9Di2TE0

Pierwiastki $18 .$ grupy układu okresowego są wysoce niereaktywne, ponieważ posiadają trwałe konfiguracje elektronowe – ostatnia powłoka helu posiada $2$ elektrony (tzw. dublet elektronowy), a powłoki walencyjne pozostałych gazów szlachetnych $8$ elektronów (tzw. oktet elektronowy). Nie mają zatem potrzeby tworzenia wiązań chemicznych, ponieważ ich konfiguracje elektronowe już w atomach są bardzo trwałe.

Analizując promienie pierwiastków $18 .$ grupy układu okresowego, można stwierdzić, że w dół grupy promienie atomów zwiększają się, co powoduje, że odległość elektronów walencyjnych od jądra powiększa się, zwiększając tym samym reaktywność tych pierwiastków.

Polecenie 2

Jakie zastosowania mają gazy szlachetne? Zapoznaj się z grafiką interaktywną, a następnie wykonaj ćwiczenia poniżej.

Jakie zastosowania mają gazy szlachetne? Zapoznaj się z opisem grafiki interaktywnej, a następnie wykonaj ćwiczenia poniżej.

Rg2lKcsucfEEK1

R6BvOl27ZZ3Qt1

R1IsgFrYhH5W61

RqH3xgE7FVWgz1

R1bPbLeW3nMUW1

R1JmswOWOvbkt1

RyAFdTjVU8gwh1

R1XMjZc2ap1pp1

Grafika interaktywna pt. Gdzie stosuje się gazy szlachetne?

Źródło: GroMar Sp. z o.o., Bielański, A. Podstawy chemii nieorganicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2013; https://chem.libretexts.org/;, dostępny w internecie: Grafiki pochodzą ze stron internetowych: pixabay.com/ oraz wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 8

R174DdYdw8RSx1

Źródło: dostępny w internecie: Źródło: www.pixabay.com, licencja: domena publiczna; Źródło: www.commons.wikimedia.org, licencja: CC By-SA 3.0; Źródło: www.flickr.com, licencja: CC BY-SA 2.0; Źródło: www.commons.wikimedia.org, licencja: domena publiczna.

RFoyd1d9wrDU1

RJr80YpDDqqeu

Ćwiczenie 9

R1OsmMKuLJYfX1

Mapa myśli ukazuje wybrane zastosowania gazów szlachetnych. Od największego kółka z napisem: Gazy szlachetne odchodzi sześć rozgałęzień, kolejno do helu, neonu, argonu, kryptonu, ksenonu oraz radonu. Od każdego z kółek z nazwą gazu szlachetnego odchodzą rozgałęzienia do kółek zawierających zastosowania tego gazu. Hel stosowany jest między innymi do wypełnienia balonów meteorologicznych i balonów dla dzieci. Ze względu na jego małą gęstość, używa się go również do wypełniania komór dysków twardych. Skutkuje to mniejszym oporem talerzy z danymi wewnątrz komory, mniejszym zużyciem energii, a także ograniczeniem hałasu. Hel wykorzystywany jest też do wypełnienia sterowców (głównie reklamowych) oraz jako składnik mieszanin do oddychania dla nurków głębinowych. Używa się go również do ochrony hermetycznie zapakowanych produktów żywnościowych, natomiast po skropleniu służy do chłodzenia urządzeń nadprzewodnikowych. Neon wykorzystuje się do chłodzenia urządzeń nadprzewodnikowych oraz w reklamach świetlnych (emituje on światło czerwone). Używany jest również jako środek chłodniczy oraz przy budowie laserów. Argon jest gazem ochronnym (ogranicza dostęp tlenu) przy spawaniu niektórych metali i ich stopów. Używa się go do wypełniania przestrzeni między szybami w oknach w celu izolacji termicznej oraz tłumienia hałasu. Argon wykorzystywany jest również do ochrony hermetycznie zapakowanych produktów żywnościowych, a także w laserach, między innymi u kosmetyczki i dentysty. Krypton wykorzystywany jest do oświetlania pasów startowych na lotnisku ze względu na fakt, iż emituje on białe światło. Podobnie jak argon używany jest do wypełniania przestrzeni między szybami w oknach w celu izolacji termicznej oraz tłumienia hałasu. Wykorzystuje się go też przy diagnostyce rentgenowskiej. Ksenon używany jest do wypełniania żarówek halogenowych w reflektorach samochodowych oraz fotograficznych lamp błyskowych. Wykorzystywany jest przy diagnostyce rentgenowskiej, a także jako lek do znieczulenia ogólnego (tzw. anestetyk), jest jednak stosowany bardzo rzadko przez wzgląd na koszty. Używa się go również jako materiał napędowy w rakietowym silniku jonowym. Radon wykorzystuje się między innymi przy radioterapii oraz przy wytwarzaniu wód radonowych. Służą one do picia, do inhalacji bądź do kąpieli, są to tak zwane kąpiele radonowe. Pomagają one przy leczeniu chorób tarczycy oraz cukrzycy.

Wybrane zastosowania gazów szlachetnych

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Więcej właściwości fluorowców

Słownik pojęć

Jakie pierwiastki należą do helowców?

Co sprawia, że pierwiastki $18 .$ grupy układu okresowego niechętnie wchodzą w reakcje chemiczne lub nie reagują wcale?

Więcej właściwości fluorowców

Słownik pojęć

Helowce

Jakie pierwiastki należą do helowców?

Co sprawia, że pierwiastki 18. grupy układu okresowego niechętnie wchodzą w reakcje chemiczne lub nie reagują wcale?

Co sprawia, że pierwiastki $18 .$ grupy układu okresowego niechętnie wchodzą w reakcje chemiczne lub nie reagują wcale?