Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Słońce, nowy, leniwy, skryty, obcy – to polskie tłumaczenia greckich nazw pierwiastków chemicznych (kolejno: helu, neonu, argonu, kryptonu oraz ksenonu). Te wraz z radonem nazywane są często gazami szlachetnymigazy szlachetnegazami szlachetnymi. W czym przejawia się ich szlachetność? Co wspólnego mają te gazy z „neonami” reklamowymi? Odpowiedź na te pytania znajdziesz w poniższym materiale.

R1BX42DCEdju8
Neony reklamowe
Źródło: dostępny w internecie: www.piqsels.com, domena publiczna.
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
  • symbole pierwiastków chemicznych i sposób posługiwania się nimi;

  • pojęcie i budowę atomu;

  • sposób odczytywania informacji z układu okresowego;

  • zależność pomiędzy budową atomu pierwiastka a jego położeniem w układzie okresowym;

  • sposób dzielenia izotopów ze względu na ich trwałość;

  • definicje: izotop promieniotwórczy, pierwiastek promieniotwórczy oraz promieniotwórczość.

Nauczysz się
  • wskazywać położenie gazów szlachetnych w układzie okresowym pierwiastków;

  • wymieniać nazwy oraz symbole pierwiastków chemicznych, które należą do grupy gazów szlachetnych;

  • opisywać budowę atomów poszczególnych gazów szlachetnych;

  • projektować i przeprowadzać doświadczenie, które pozwoli na zbadanie wybranych właściwości fizykochemicznych helu;

  • opisywać wybrane właściwości gazów szlachetnych;

  • wskazywać przykłady zastosowania gazów szlachetnych w najbliższym otoczeniu.

1. Gazy szlachetne – występowanie w przyrodzie

Jeśli przypomnisz sobie, że głównymi składnikami powietrza są azot oraz tlen, to okaże się, że stanowią one łącznie 99% objętości powietrza (azot stanowi około 78%, a tlen około 21%). Jakie więc gazy zawarte są w tym jednym procencie objętości powietrza? Aby odpowiedzieć na to pytanie, przeanalizuj dane zawarte na poniższej grafice.

RIPF3roMwZNi01
Ogólny skład procentowy powietrza (w procentach objętościowych)
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

We wspomnianym jednym procencie objętości powietrza znajdują się między innymi gazy szlachetne. Do tych występujących w powietrzu należą: argonargonargon, helhelhel, neonneonneon, kryptonkryptonkrypton oraz ksenonksenonksenon. Dokładne zawartości wymienionych gazów w powietrzu zamieszczono w poniższej tabeli.

Zawartość procentowa gazów szlachetnych w suchym powietrzu (w procentach objętościowych).

Nazwa gazu szlachetnego

Zawartość procentowa w powietrzu (% objętości)

argon

9,3·10-1%=0,93%

neon

1,8·10-3%=0,0018%

hel

5,2·10-4%=0,00052%

krypton

1·10-4%=0,0001%

ksenon

8,7·10-6%=0,0000087%

Indeks górny Na podstawie: Orlińska I., Orliński K., Na krańcu układu – gazy szlachetne [w:] Chemia w szkole, Warszawa 2018 (nr 3), s. 10. Indeks górny koniec

W powietrzu może być również zawarty radon, jednak jego stężenie w środowisku naturalnym jest tak niskie, że trudno go wykryć metodami chemicznymi. Zależy to między innymi od miejsca pomiaru. Najwięcej można go na ogół odnotować w okolicy kopalń, a najmniej nad oceanami.

1
Polecenie 1

Wykorzystując dane zamieszczone w powyższej tabeli, oblicz objętość każdego z wymienionych w niej gazów szlachetnych, zawartych w pomieszczeniu o wymiarach 400 400 x 300 cm. Wyniki podaj w cm3, z dokładnością do pierwszego miejsca po przecinku (nie zaokrąglaj wyników cząstkowych). Załóż, że pomiarów dokonano temperaturze pokojowej, pod ciśnieniem normalnym.

REfI1ZouFvOlX
Rozwiązanie zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.
R1Fo8LOp5yNWy
Odpowiedź: (Uzupełnij).
Ciekawostka

Pierwszy z gazów szlachetnych został odkryty w 1868 r. na Słońcu, niezależnie przez dwóch astronomów. Byli nimi Francuz Pierre Janssen (czyt. pier jensen) i Anglik Norman Lockyer (czyt. norman lokje). Nowo odkrytemu pierwiastkowi nadano nazwę hel, od greckiego Helios, czyli Słońce. W 1895 r. został otrzymany w laboratorium przez brytyjskiego chemika i fizyka Williama Ramsay’a (czyt. łiljama ramzeja).

Rok wcześniej, ten sam naukowiec, wraz z lordem Rayleighem (czyt. rejlejem), wyodrębnił z powietrza i zidentyfikował kolejny z gazów. Ponieważ gaz był oporny na działanie stosowanych przez uczonych związków chemicznych, nadali mu nazwę argon, od greckiego argos znaczy „leniwy”.

Lord Rayleigh i sir Ramsey otrzymali za swoje prace dwie Nagrody Nobla w 1904 r. – w dziedzinie chemii oraz w dziedzinie fizyki.

1898 r.. Ramsay wraz z innym brytyjskim chemikiem Morrisem Traversem (czyt. morisem trawersem) odkryli trzy kolejne gazy szlachetne – neon, którego nazwa pochodzi od greckiego neos, co oznacza „nowy”, krypton, nazwany od greckiego kryptos, czyli „skryty” (ponieważ „ukrywał się” w skroplonym powietrzu) i ksenon, z greckiego ksenos to z kolei „obcy”.

1900 r. niemiecki fizyk Friedrich Dorn (czyt. fridriś dorn), odkrył radon – pierwiastek promieniotwórczy.

R1UBujBqGr14j
Opis WCAG ilustracji przy wydarzeniu Odkrycie helu Pierre Janssen. Francuski astronom. W 1868 roku (niezależnie od Normana Lockyer’a) zaobserwował na Słońcu nowy pierwiastek - hel.
Daty odkrycia oraz uczeni, którzy odkryli, bądź przyczynili się do odkrycia, poszczególnych gazów szlachetnych.
Źródło: www.commons.wikimedia.org, Elliott&Fry, domena publiczna, www.commons.wikimedia.org, The Cyclopedia Publishing Company, Calcutta, domena publiczna, www.commons.wikimedia.org, domena publiczna, www.commons.wikimedia.org, domena publiczna, www.commons.wikimedia.org, domena publiczna, www.zh.m.wikipedia.org, domena publiczna.

Na osi czasu przedstawiono daty oraz uczonych, którzy odkryli poszczególne gazy szlachetne lub chociażby przyczynili się do tego.

  • Rok 1868 – odkrycie helu przez Pierre'a Janssena. Był to francuski astronom, który wówczas (niezależnie od Normana Lockyera) zaobserwował na Słońcu nowy pierwiastek – hel. Na slajdzie ukazano portret Pierre'a Janssena – starszego, łysiejącego mężczyzny o białych włosach, brwiach, wąsach oraz brodzie i surowym spojrzeniu. Jest on ubrany w czarny płacz, zapięty na dwa guziki. Ręką, opartą na leżącej na stole książce, podpiera głowę.

  • Rok 1868 – odkrycie helu przez Normana Lockyera. Był on angielskim naukowcem i astronomem. We wskazanym roku (niezależnie od Pierre’a Janssena) także zaobserwował na Słońcu nowy pierwiastek, którym podobnie był hel. Na slajdzie ukazano zdjęcie Normana Lockyera – starszego mężczyzny o białych, zaczesanych na lewo włosach, siwych wąsach i brodzie. Ubrany jest w białą koszulę, ciemny krawat i szary, zapięty płaszcz. Na nosie ma okulary, a dłonie opiera na drewnianej lasce.

  • Rok 1894 – odkrycie argonu przez Johna Williama Strutta (lorda Rayleigh). Był to brytyjski fizyk, który w 1904 r. został laureatem Nagrody Nobla z fizyki za badanie gęstości gazów i odkrycie argonu, czego dokonał właśnie w 1894 r. Na slajdzie ukazano zdjęcie Johna Williama Strutta – starszego, silnie łysiejącego mężczyzny o białych włosach i gęstych, białych wąsach. Ubrany jest w białą koszulę, czarną muchę i czarną marynarkę, na którą nałożono czarny płaszcz.

  • Rok 1895 – otrzymanie helu w laboratorium przez Williama Ramsaya. Był to brytyjski chemik i fizyk, a także laureat Nagrody Nobla z chemii w 1904 r.. W 1894 r., wraz z lordem Rayleigh, wyodrębnił z powietrza argon. Rok potem otrzymał w laboratorium hel. Na slajdzie ukazano zdjęcie Williama Ramsaya – starszego mężczyzny o podłużnej twarzy, krótkich, czarnych włosach oraz siwiejących wąsach i brodzie. Ubrany jest w białą koszulę oraz czarny krawat i marynarkę.

  • Rok 1898 – odkrycie neonu, kryptonu i argonu w powietrzu przez Johna William Strutta (lorda Rayleigh). Wraz z Morrisem Traversem odkrył w powietrzu neon, krypton oraz ksenon. Na slajdzie ukazano zdjęcie Morrisa Traversa – mężczyzny o krótkich, czarnych włosach z okularami na nosie. Ubrany jest w białą koszulę oraz czarny krawat i jasną marynarkę.

  • Rok 1900 – odkrycie radonu przez Friedricha Ernsta Dorna. Był on niemieckim fizykiem. We wskazanym roku odkrył radon – pierwiastek chemiczny, którego najtrwalszy izotop powstaje na skutek rozpadów promieniotwórczych radu. Na slajdzie ukazano zdjęcie Friedricha Dorna – starszego mężczyzny o białych włosach i gęstych, siwiejących wąsach. Ubrany jest w białą koszulę oraz czarną muchę i marynarkę.

Ciekawostka

Prawdziwym bogactwem niemal pozbawionego atmosfery Księżyca jest hel–3
(He3), wysokoenergetyczny izotop helu, wędrujący ze Słońca w postaci wiatru słonecznego. Gaz jest zatrzymywany przez naszą atmosferę, dlatego prawie nie występuje na Ziemi. Jego zasoby szacuje się na tysiące ton na Księżycu i około 10 kg na Ziemi.

Wstępnie obliczono, że do zasilania Warszawy w energię elektryczną, w wyniku fuzji jądrowej, przez cały rok wystarczyłoby 100 kg helu–3.

RvJu2ijkudpA4
Księżyc
Źródło: www. commons.wikimedia.org, http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/a11/AS11-44-6609.jpg [dostęp z 15.02.2022], domena publiczna, www.commons wikimedia.org, Nasa/JSC/Arizona State University, domena publiczna.

2. Gazy szlachetne jako pierwiastki chemiczne

Gazy szlachetne to pierwiastki chemiczne, położone w 18. grupie układu okresowego. Należą do niemetali (choć często w legendach, umieszczonych obok układów okresowych, wymienia się je osobno).

RRDM7o79pycWp1
Położenie gazów szlachetnych w układzie okresowym
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ponieważ nazwy grup w układzie okresowym tworzymy od nazw rozpoczynających je pierwiastków chemicznych (z wyjątkiem grupy pierwszej), gazy szlachetne często nazywamy również helowcami.

Zwróć uwagę, że do gazów szlachetnych należy również radonradonradon. Nie jest on jednak naturalnym składnikiem powietrza. Jest to pierwiastek promieniotwórczy (nie posiadający trwałych izotopów), który stanowi końcowy produkt rozpadów promieniotwórczych złóż uranu i toru.

Ciekawostka

18. grupie układu okresowego znajduje się również pierwiastek chemiczny o nazwie Oganeson. Został po raz pierwszy otrzymany w 2002 r., w wyniku odpowiednich przemian jądrowych. Atomy oganesonu są bardzo niestabilne, dlatego trudno jest zbadać właściwości fizykochemiczne tego pierwiastka. Przewiduje się jednak, że w warunkach normalnych (p=1013 hPa, T=0°C) pierwiastek ten byłby prawdopodobnie ciałem stałym.

1
Polecenie 2
REQaNEDNzyMqd
Przeanalizuj położenie wybranych gazów szlachetnych w układzie okresowym, a następnie uzupełnij poniższą tabelę. W puste miejsca tabeli wstaw odpowiednie symbole oraz liczby.

W poniższej tabeli zamieszczono konfiguracje elektronowe atomów czterech gazów szlachetnych o najmniejszych liczbach atomowych, z wyszczególnionymi elektronami walencyjnymi.

Konfiguracje elektronowe atomów wybranych gazów szlachetnych. Na czerwono wyszczególniono elektrony walencyjne atomów poszczególnych helowców.

nazwa pierwiastka

konfiguracja elektronowa atomu – zapis powłokowy

konfiguracja elektronowa atomu – zapis podpowłokowy

hel

K2

1s2

neon

K2L8

1s22s22p6

argon

K2L8M8

1s22s22p63s23p6

krypton

K2L8M18N8

1s22s22p63s23p64s23d104p6

Okazuje się, że konfiguracja elektronowa atomów gazów szlachetnych jest bardzo trwała (stabilna) energetycznie. Głównie dlatego gazy szlachetne (w przeciwieństwie do innych pierwiastków występujących w przyrodzie w stanie gazowym) nie tworzą cząsteczek – występują naturalnie w formie atomowej.

Dla zainteresowanych

Przyjrzyj się zamieszczonemu poniżej graficznemu zapisowi konfiguracji elektronowej elektronów walencyjnych gazów szlachetnych.

R1Cb6XA0T80tY
Zapis klatkowy konfiguracji elektronowej podpowłok walencyjnych atomów wybranych gazów szlachetnych — zapis graficzny.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zwróć uwagę, że wszystkie elektrony walencyjne w atomach analizowanych helowców są sparowane – na każdym poziomie orbitalnym (w jednej klatce) znajdują się dwa elektrony. Taka sama sytuacja ma miejsce w atomach ksenonu oraz radonu.

To między innymi brak niesparowanych elektronów walencyjnych utrudnia atomom gazów szlachetnych tworzenie cząsteczek.

3. Otrzymywanie i wybrane właściwości fizykochemiczne gazów szlachetnych

Neon, argon, krypton oraz ksenon pozyskuje się na skalę przemysłową w wyniku tak zwanej destylacjidestylacjadestylacji frakcjonowanej ciekłego (skroplonego) powietrza. Hel pozyskiwany jest ze złóż gazu ziemnego. Z kolei radon produkuje się w niewielkich ilościach (rzędu centymetrów sześciennych rocznie) ze złóż radu.

Doświadczenie 1
Ry3pI9Xr7tjG4
Problem badawczy: Jakie właściwości fizykochemiczne ma hel?. Hipoteza: Spośród podanych poniżej hipotez, wybierz jedną, a następnie ją zweryfikuj. Hipoteza 1: Hel jest bezbarwnym, bezwonnym i palnym gazem, dobrze rozpuszczalnym w wodzie, o gęstości większej od gęstości powietrza. Hipoteza 2: Hel jest bezbarwnym, bezwonnym i niepalnym gazem, praktycznie nierozpuszczalnym w wodzie, o gęstości mniejszej od gęstości powietrza. Twój wybór: (Wybierz: Hipoteza 1., Hipoteza 2.). Co będzie potrzebne: butla z gazowym helem, woda destylowana, butelka (najlepiej z długą wąską szyjką), duża zlewka lub krystalizator, łuczywo, zapałki, balonik. Instrukcja: 1. Balonik napełnij ostrożnie helem. Zawiąż wylot balonika i wypuść balonik z rąk. 2. Do zlewki (lub krystalizatora) wlej wodę destylowaną (tak aby zajmowała ok. ⅓ wysokości naczynia). 3. Butelkę napełnij helem, trzymając ją do góry dnem. 4. Nie odwracając butelki, wprowadź do niej zapalone łuczywo. Po odnotowaniu obserwacji nadal trzymaj butelkę do góry dnem. 5. Umieść butelkę, ustawioną szyjką w dół, w naczyniu z wodą destylowaną. 6. Butelkę pozostaw w wodzie odwróconą do góry dnem na kilka-kilkanaście minut.

Problem badawczy:

Jakie właściwości fizykochemiczne ma hel?

Hipoteza:

Hel jest bezbarwnym, bezwonnym i niepalnym gazem, praktycznie nierozpuszczalnym w wodzie, o gęstości mniejszej od gęstości powietrza.

Co było potrzebne:

  • butla z gazowym helem;

  • woda destylowana;

  • butelka (najlepiej z długą wąską szyjką);

  • duża zlewka lub krystalizator;

  • łuczywo;

  • zapałki;

  • balonik.

Przebieg doświadczenia:

Balonik napełniono ostrożnie helem, zawiązano i wypuszczono. Krystalizator napełniono do 13 wysokości wodą destylowaną, a do butelki odwróconej do góry dnem nabrano helu z butli. Do butelki, trzymanej cały czas do góry dnem, wprowadzono zapalone łuczywo. Następnie umieszczono ją wylotem do dołu w krystalizatorze z wodą destylowaną i pozostawiono na kilkanaście minut.

Obserwacje:

Analizowany gaz jest bezbarwny i bezwonny. Wypełniony tym gazem balonik unosi się w powietrzu. Po wprowadzeniu zapalonego łuczywa do butelki wypełnionej badanym gazem, zaobserwowano, że płomień zgasł. Po zakończeniu doświadczenia, nie odnotowano obecności wody wewnątrz butelki.

Wnioski:

Hel jest gazem bezbarwnym i bezwonnym. Ponieważ napełniony nim balon się unosi, można wnioskować, że ma gęstość mniejszą od gęstości powietrza. Wprowadzone do butelki z helem zapalone łuczywo gaśnie, co oznacza, że jest gazem niepalnym i nie podtrzymującym spalania. Ponieważ po zakończeniu doświadczenia nie odnotowano obecności wody w butelce, można wnioskować, że jest bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie.

1
Polecenie 3
R1TraNiBn2n8K
Obserwacje: (Uzupełnij). Wnioski: (Uzupełnij).
R6bYD5kyojpIT
Przyporządkuj do odpowiedniej grupy właściwości fizyczne i chemiczne helu. Właściwości chemiczne: Możliwe odpowiedzi: 1. bezwonny, 2. bezbarwny, 3. gęstość mniejsza niż gęstość powietrza, 4. niepalny, 5. bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie Właściwości fizyczne: Możliwe odpowiedzi: 1. bezwonny, 2. bezbarwny, 3. gęstość mniejsza niż gęstość powietrza, 4. niepalny, 5. bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie

Podobne właściwości fizykochemiczne do tych, które udało się zbadać w doświadczeniu 1 dla helu, wykazują pozostałe gazy szlachetne. Wszystkie helowce (wyłączając oganeson, o którym nie ma wystarczających danych) to w warunkach normalnych bezbarwne, bezwonne, praktycznie nierozpuszczalne w wodzie gazy. Są niepalne i nie podtrzymują spalania.

Gazy szlachetne odznaczają się zróżnicowaną gęstością. Na poniższym wykresie zilustrowano gęstości wybranych gazów szlachetnych oraz gęstość powietrza, w temperaturze 25°C, pod ciśnieniem 1013 hPa. Przeanalizuj dane zawarte na wspomnianym wykresie, a następnie wykonaj polecenie 4.

R4oaiXtoQyjRN
Wykres kolumnowy. Lista elementów: 1. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: HeGęstość: 0.164; Podpis osi wartości: gęstość (kgm3)2. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: NeGęstość: 0.824; Podpis osi wartości: gęstość (kgm3)3. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: ArGęstość: 1.635; Podpis osi wartości: gęstość (kgm3)4. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: KrGęstość: 3.43; Podpis osi wartości: gęstość (kgm3)5. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: XeGęstość: 5.396; Podpis osi wartości: gęstość (kgm3)6. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: PowietrzeGęstość: 1.185; Podpis osi wartości: gęstość (kgm3)
Porównanie gęstości wybranych gazów szlachetnych i powietrza. Gęstości wyznaczono w temperaturze 25°C, pod ciśnieniem 1013 hPa.
Na podstawie: Mizerski W., Tablice chemiczne, Warszawa 2004, s. 105
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Na kolumnowym wykresie interaktywnym przedstawiono gęstości wybranych gazów szlachetnych oraz gęstość powietrza w temperaturze 25°C, pod ciśnieniem 1013 hPa:

  • hel – 0,164;

  • neon – 0,824;

  • argon – 1,635;

  • krypton – 3,43;

  • ksenon – 5,396;

  • powietrze – 1,185.

Polecenie 4
RK3O2IYhuq5X1
Łączenie par. Korzystając z powyższego wykresu, oceń poprawność poniższych stwierdzeń. Zaznacz "Prawda", jeśli zdanie jest prawdziwe albo "Fałsz", jeśli jest fałszywe.. Gęstość gazów szlachetnych rośnie wraz ze wzrostem ich liczb atomowych.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Im większa jest masa atomowa helowca, tym mniejsza jest jego gęstość.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Balonik wypełniony argonem unosi się w powietrzu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Balonik wypełniony helem unosi się w powietrzu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz

Gazy szlachetne charakteryzują się również zróżnicowanymi temperaturami wrzenia i topnienia. Wartości temperatur wrzenia i topnienia wybranych gazów szlachetnych, pod ciśnieniem 1013 hPa, zamieszczono w poniższej tabeli.

Wartości temperatur wrzenia wybranych gazów szlachetnych.

Nazwa helowca

Temperatura wrzenia, °C

Temperatura topnienia, °C

hel

-269

nie ulega zestaleniu pod ciśnieniem normalnym

neon

-246

-249

argon

-186

-189

krypton

-153

-157

ksenon

-108

-112

Indeks górny Na podstawie: Mizerski W., Tablice chemiczne, Warszawa 2004, s. 105. Indeks górny koniec

1
Polecenie 5

Zamieszczone w powyższej tabeli dane przedstaw w formie wykresu słupkowego. Wskazane w tabeli helowce ułóż na wykresie zgodnie z malejącymi masami atomowymi. Temperatury wrzenia i topnienia gazów szlachetnych wyraź w kelwinach.

R7UhDorqf93J4
Wykres narysuj w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.
Polecenie 5
RdzNOaQj868ji
Spośród podanych poniżej, wybierz i zaznacz prawidłowo zapisaną zależność temperatur wrzenia gazów szlachetnych. Możliwe odpowiedzi: 1. Temperatury wrzenia poszczególnych gazów szlachetnych rosną wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka., 2. Temperatury wrzenia poszczególnych gazów szlachetnych maleją wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka., 3. Temperatury wrzenia poszczególnych gazów szlachetnych rosną wraz ze spadkiem liczby atomowej pierwiastka., 4. Temperatury wrzenia poszczególnych gazów szlachetnych rosną w głąb okresu, w którym gazy te się znajdują.

Zwróć uwagę, w jak niewielkim zakresie temperatur gazy szlachetne występują w ciekłym stanie skupienia.

Gazy szlachetne odznaczają się również inną ciekawą właściwością – w polu elektrycznym emitują światło o określonej barwie.

RHghhCq3dXSNW1
Atomy gazów szlachetnych, wzbudzone przepływem prądu elektrycznego, emitują światło o charakterystycznym dla danego helowca zabarwieniu.
Źródło: Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew.de, licencja: CC BY-SA 3.0.

Jak już wspomniano, atomy helowców posiadają trwałą (stabilną) energetycznie konfigurację elektronową. Dlatego nie występują w postaci cząsteczek, lecz atomów. Mało tego – są bierne chemicznie wobec innych substancji chemicznych. To właśnie z chemicznej bierności helowców wywodzi się nazwa „gazy szlachetne”.

Ciekawostka

Być może zdarzyło Ci się słyszeć głos osoby, która „nawdychała” się helu. A może miałaś/miałeś okazję samodzielnie przeprowadzić taki eksperyment? Jeśli podczas wdechu napełnimy płuca helem, to nasz głos stanie się zabawnie wysoki. Jak to możliwe? Ze względu na bardzo niską gęstość helu, prędkość rozchodzenia się dźwięku w tym gazie jest trzykrotnie większa niż w powietrzu. Z kolei wysokość (ton) głosu zależy od tego, jak szybko poruszają się, a właściwie drgają, poszczególne części ośrodka mowy. Im szybciej rozchodzi się dźwięk, tym drgania są częstsze, a głos wyższy. Głos wraca do swojej naturalnej wysokości w momencie, kiedy z płuc zostanie usunięty cały hel.

Przeprowadzając eksperyment z wdychaniem helu, należy jednak zachować szczególną ostrożność. Po pierwsze należy zwrócić uwagę, czy wykorzystywany hel nie jest zanieczyszczony jakimś innym gazem. Po drugie, pod żadnym pozorem nie wolno „oddychać” helem (mogłoby to w najlepszym przypadku doprowadzić do utraty przytomności ze względu na niedotlenienie). Do przeprowadzenia eksperymentu wystarczy jeden wdech helu.

Dla zainteresowanych

To, że gazy szlachetne są bierne chemicznie nie oznacza, że nie tworzą żadnych związków chemicznych z innymi pierwiastkami. Do tej pory udało się bowiem otrzymać związki chemiczne między innymi ksenonu, radonu i kryptonu. Należą do nich przede wszystkim związki o wzorach sumarycznych: HKrF, KrF2, RnF2, RnO3, XePtF6, XeF2, XeF4, XeF6, XeO3 oraz H2XeO4. Mogą one jednak istnieć jedynie w specjalnych warunkach ciśnienia i temperatury.

4. Zastosowanie gazów szlachetnych

Wybrane zastosowania gazów szlachetnych opisano pokrótce na poniższej mapie myśli. Zapoznaj się z nimi, a następnie wykonaj polecenie 6.

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 mała 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 (ograniczający 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.
Polecenie 6
R1ZyAjBk9NQDG
Do wymienionych poniżej właściwości fizykochemicznych poszczególnych gazów szlachetnych, dopasuj wynikające z nich zastosowania. Hel ma gęstość mniejszą od gęstości powietrza. Możliwe odpowiedzi: 1. Wypełnienie balonów meteorologicznych., 2. Oświetlenie pasów startowych na lotniskach., 3. Diagnostyka rentgenowska., 4. Wypełnienie przestrzeni między szybami w oknach., 5. Obojętna atmosfera dla produktów żywnościowych. Krypton, po wzbudzeniu przez wyładowania elektryczne, emituje intensywne białe światło. Możliwe odpowiedzi: 1. Wypełnienie balonów meteorologicznych., 2. Oświetlenie pasów startowych na lotniskach., 3. Diagnostyka rentgenowska., 4. Wypełnienie przestrzeni między szybami w oknach., 5. Obojętna atmosfera dla produktów żywnościowych. Argon jest gazem biernym chemicznie. Możliwe odpowiedzi: 1. Wypełnienie balonów meteorologicznych., 2. Oświetlenie pasów startowych na lotniskach., 3. Diagnostyka rentgenowska., 4. Wypełnienie przestrzeni między szybami w oknach., 5. Obojętna atmosfera dla produktów żywnościowych. Argon i krypton charakteryzują się niskim przewodnictwem cieplnym. Możliwe odpowiedzi: 1. Wypełnienie balonów meteorologicznych., 2. Oświetlenie pasów startowych na lotniskach., 3. Diagnostyka rentgenowska., 4. Wypełnienie przestrzeni między szybami w oknach., 5. Obojętna atmosfera dla produktów żywnościowych. Ksenon i krypton mają zdolność do pochłaniania promieni X. Możliwe odpowiedzi: 1. Wypełnienie balonów meteorologicznych., 2. Oświetlenie pasów startowych na lotniskach., 3. Diagnostyka rentgenowska., 4. Wypełnienie przestrzeni między szybami w oknach., 5. Obojętna atmosfera dla produktów żywnościowych.

Jednym z zastosowań gazów szlachetnych jest wspomniane już na początku tego materiału wypełnianie neonów reklamowych. Nazwa „neony” może być jednak nieco myląca, ponieważ do wypełniania lamp neonowych (zwanych często neonówkami) wykorzystywany jest nie tylko neon, ale także pozostałe gazy szlachetne. Najczęściej takie lampy wypełnia się odpowiednio dobraną mieszaniną helowców, których skład zależy od barwy pożądanego światła.

Zmylić może również zastosowanie radonu, między innymi w tak zwanych kąpielach radonowych. Musisz pamiętać, że ten pierwiastek, przez wzgląd na swoje właściwości radioaktywne, traktowany jest jako substancja szkodliwa dla zdrowia. Długotrwałe przebywanie w miejscach, w których w powietrzu znajduje się radon (między innymi w kopalniach), zwiększa ryzyko zachorowania na raka płuc. Z drugiej jednak strony, w odpowiednim stężeniu, pod kontrolą specjalistów, można go wykorzystywać we wspomnianych zabiegach korzystnych dla zdrowia.

Podsumowanie

  • Gazy szlachetne to niemetale, położone w 18. grupie układu okresowego.

  • Do gazów szlachetnych zaliczamy: hel, neon, argon, krypton, ksenon oraz radon.

  • Hel, neon, argon, krypton oraz ksenon to naturalne składniki powietrza. Radon jest pierwiastkiem promieniotwórczym.

  • W warunkach normalnych są to bezbarwne, bezwonne, pozbawione smaku gazy, które charakteryzują się bardzo niskimi temperaturami wrzenia i topnienia.

  • Gazy szlachetne wykazują najmniejszą aktywność chemiczną spośród wszystkich znanych pierwiastków. Właściwość ta jest związana z trwałością konfiguracji elektronowej ich atomów.

  • Gazy szlachetne (przez wzgląd na stabilną energetycznie konfigurację elektronową atomów) nie tworzą cząsteczek – występują w formie atomowej.

  • Gazy szlachetne znalazły szereg zastosowań, wśród których najbardziej znanym jest wykorzystanie ich w technice oświetleniowej.

Praca domowa
1
Polecenie 7.1

W pewnym laboratorium chemicznym przeprowadzono doświadczenie, zilustrowane na poniższym schemacie.

R156Qje4xi9uk
Schemat doświadczenia.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zastanów się i napisz, jakie obserwacje powinna odnotować osoba wykonująca to doświadczenie. Następnie ustal, jakie właściwości fizykochemiczne kryptonu można potwierdzić, wykonując analizowane doświadczenie.

R1U1XCKG1fLT3
Odpowiedź: (Uzupełnij).
Polecenie 7.1

Korzystając z dostępnych Ci materiałów, uzupełnij poniższy tekst odpowiednimi wyrażeniami, wybierając spośród podanych poniżej.

RBUU7AGoNATW6
Krypton jest gazem 1. spalania, 2. podtrzymującym, 3. spalanie, 4. niepodtrzymującym, 5. niepalnym, 6. łatwopalnym, 7. większej, 8. mniejszej i 1. spalania, 2. podtrzymującym, 3. spalanie, 4. niepodtrzymującym, 5. niepalnym, 6. łatwopalnym, 7. większej, 8. mniejszej 1. spalania, 2. podtrzymującym, 3. spalanie, 4. niepodtrzymującym, 5. niepalnym, 6. łatwopalnym, 7. większej, 8. mniejszej, o gęstości 1. spalania, 2. podtrzymującym, 3. spalanie, 4. niepodtrzymującym, 5. niepalnym, 6. łatwopalnym, 7. większej, 8. mniejszej od gęstości powietrza.

Słownik

gazy szlachetne
gazy szlachetne

inaczej helowce; niemetale położone w 18. grupie układu okresowego (do gazów szlachetnych nie zalicza się oganesonu); w warunkach normalnych bezbarwne, bezwonne gazy, występujące w postaci atomów – w przeciwieństwie do innych gazowych pierwiastków chemicznych (między innymi azotu), nie tworzą cząsteczek; substancje bierne (mało aktywne) chemicznie

argon
argon

(Ar, gr. argos „leniwy”) pierwiastek chemiczny o największym rozpowszechnieniu na Ziemi spośród wszystkich gazów szlachetnych; jego zawartość w powietrzu wynosi około 0,93% (procenty objętościowe); stosuje się go między innymi w procesach chemicznych wymagających obojętnego środowiska, np. podczas spawania, do wypełniania przestrzeni zespolonej w oknach oraz w mieszaninie do wypełniania żarówek razem z azotem

hel
hel

(He, gr. Helios „Słońce”) pierwiastek chemiczny z grupy helowców; gaz szlachetny; po wodorze drugi najbardziej rozpowszechniony pierwiastek chemiczny we wszechświecie; niepalny; stosuje się go między innymi do napełniania balonów, jako czynnik chłodzący w reaktorach jądrowych i nadprzewodnikach, a także składnik mieszaniny z tlenem w butlach tlenowych dla nurków

neon
neon

(Ne, gr. neos „nowy”) pierwiastek chemiczny z grupy helowców; gaz szlachetny; stosuje się go między innymi do produkcji lamp jarzeniowych (czerwona barwa), w laserach oraz jako chłodziwo urządzeń nadprzewodnikowych

ksenon
ksenon

(Xe, gr. ksenos „obcy”) pierwiastek chemiczny z grupy helowców; gaz szlachetny; stosuje się go między innymi jako wypełnienie żarówek halogenowych w reflektorach samochodowych oraz fotograficznych lamp błyskowych, a także w diagnostyce rentgenowskiej

krypton
krypton

(Kr, gr. kryptos „skryty”) pierwiastek chemiczny z grupy helowców; gaz szlachetny; stosuje się go między innymi w lampach jarzeniowych (po wzbudzeniu elektrycznym emituje białe światło), jako wypełnienie przestrzeni między szybami w oknach oraz w diagnostyce rentgenowskiej

radon
radon

(Rn) promieniotwórczy pierwiastek chemiczny z grupy helowców; gaz szlachetny; stosuje się go między innymi w medycynie do tak zwanych kąpieli radowych (leczenie chorób tarczycy i cukrzycy); w niekontrolowanych ilościach szkodliwy dla zdrowia (zwiększa ryzyko zachorowania na raka płuc)

destylacja
destylacja

(łac. destillatio „ściekanie kroplami”) metoda rozdziału mieszanin ciekłych, w której wykorzystuje się różnice w temperaturach wrzenia ich składników

Ćwiczenia

Do rozwiązania poniższych ćwiczeń potrzebny Ci będzie układ okresowy pierwiastków chemicznych. Skorzystaj z układu okresowego znajdującego się w tej lekcji.

Pokaż ćwiczenia:
Rwe3eyf5ISMSk1
Ćwiczenie 1
Uszereguj zapisane poniżej symbole gazów szlachetnych, zgodnie ze wzrastającą liczbą protonów w ich jądrach atomowych. Na górze ustaw symbol gazu szlachetnego, który posiada najmniej protonów w jądrze atomowym. Elementy do uszeregowania: 1. Ne, 2. Ar, 3. He, 4. Rn, 5. Kr, 6. Xe
R1P9O21ZNYFit1
Ćwiczenie 2
Poniżej znajdują się nazwy wybranych gazów szlachetnych. Do każdej z nazw dopasuj jedno, charakterystyczne dla danego gazu zastosowanie. hel Możliwe odpowiedzi: 1. lampy na pasach startowych lotnisk, 2. wypełnienie szyb zespolonych w oknach, 3. lampy przeciwmgielne, 4. napełnianie balonów, 5. radioterapia neon Możliwe odpowiedzi: 1. lampy na pasach startowych lotnisk, 2. wypełnienie szyb zespolonych w oknach, 3. lampy przeciwmgielne, 4. napełnianie balonów, 5. radioterapia argon Możliwe odpowiedzi: 1. lampy na pasach startowych lotnisk, 2. wypełnienie szyb zespolonych w oknach, 3. lampy przeciwmgielne, 4. napełnianie balonów, 5. radioterapia krypton Możliwe odpowiedzi: 1. lampy na pasach startowych lotnisk, 2. wypełnienie szyb zespolonych w oknach, 3. lampy przeciwmgielne, 4. napełnianie balonów, 5. radioterapia radon Możliwe odpowiedzi: 1. lampy na pasach startowych lotnisk, 2. wypełnienie szyb zespolonych w oknach, 3. lampy przeciwmgielne, 4. napełnianie balonów, 5. radioterapia
R1BRTOEWs2LzS1
Ćwiczenie 3
Zadaniem uczniów było zapisanie trzech informacji na temat neonu. Wskaż, która z osób popełniła błąd. Możliwe odpowiedzi: 1. IGOR
• pierwiastek chemiczny będący gazem szlachetnym z 2. okresu
• stosowany w lampach jarzeniowych, daje czerwoną barwę
• jest niepalny i nie podtrzymuje spalania, 2. MACIEJ
• pierwiastek chemiczny będący gazem szlachetnym
• stosowany w butlach tlenowych dla nurków
• tworzy liczne związki chemiczne, 3. MARTA
• pierwiastek chemiczny z 18. grupy układu okresowego
• stosowany w technice oświetleniowej, między innymi w tak zwanych neonówkach
• atom neonu ma na ostatniej powłoce osiem elektronów walencyjnych, 4. LENA
• pierwiastek chemiczny z grupy helowców
• występuje w formie pojedynczych atomów
• stosowany w technice oświetleniowej
1
Ćwiczenie 4

Uczeń przygotował cztery identyczne baloniki. Trzy z nich napełnił kolejno różnymi gazami: helem, neonem oraz tlenkiem węgla(IV) (dwutlenkiem węgla). Czwarty z balonów napełnił powietrzem. Wszystkie puścił swobodnie.

Przeanalizuj dane zawarte w poniższej tabeli, a następnie wskaż poprawną obserwację z przeprowadzonego przez ucznia doświadczenia.

Nazwa pierwiastka/związku chemicznego/mieszaniny

Gęstość [gdm3] w temperaturze 25°C, pod ciśnieniem 1013 hPa

hel

0,164

powietrze

1,185

neon

0,824

tlenek węgla(IV)

1,811

Indeks górny Na podstawie: Mizerski W., Tablice chemiczne, Warszawa 2004, s. 105 Indeks górny koniec

Rh5UA5nWwiKjO
Możliwe odpowiedzi: 1. Wszystkie balony uniosły się., 2. Wszystkie balony opadły na ziemię., 3. Trzy z balonów uniosły się, a jeden opadł na ziemię., 4. Dwa z balonów uniosły się, a dwa opadły na ziemię.
R186rxVE59Yfd2
Ćwiczenie 5
Łączenie par. Ocen prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz "Prawda", jeśli zdanie jest prawdziwe albo "Fałsz", jeśli jest fałszywe.. Atomy wszystkich gazów szlachetnych posiadają po osiem elektronów walencyjnych.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Neon, podobnie jak azot, tworzy dwuatomowe cząsteczki o wzorze Ne2.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Najbardziej rozpowszechnionym w przyrodzie gazem szlachetnym jest argon.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Hel, neon, argon oraz krypton występują w powietrzu w postaci atomów (nie tworzą cząsteczek).. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
RHrFGsMOqX7KC2
Ćwiczenie 6
Na rysunku przedstawiono trzy zestawy doświadczalne. Na schemacie numer jeden przedstawiono pustą probówkę odwróconą do góry dnem, do której do połowy głębokości wprowadzono rurkę, przez którą wprowadzany jest gaz. Na schemacie numer dwa przedstawiono pustą probówkę odwróconą do dołu dnem, do której do połowy głębokości wprowadzono rurkę, przez którą wprowadzany jest gaz. Na schemacie numer trzy przedstawiono probówkę odwróconą do góry dnem, do której wprowadzono rurkę, przez którą wprowadzany jest gaz. Probówka ta jest wypełniona do połowy cieczą i umieszczona w naczyniu zawierającym wodę w taki sposób, że wylot probówki znajduje się pod powierzchnią wody.
Zestawy doświadczalne.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RniUmZ3qxPHIe
Ćwiczenie 6
Wskaż i zaznacz zestaw lub zestawy odpowiednie do zbierania gazowego helu. Możliwe odpowiedzi: 1. wężyk wprowadzony do probówki, ustawionej do góry otworem wlotowym, 2. wężyk wprowadzony do próbówki, ustawionej do góry dnem, 3. wężyk wprowadzony do probówki, ustawionej do góry dnem i częściowo zanurzonej w wodzie
R11TiDLKpPhXv3
Ćwiczenie 7
W tak zwanych kąpielach radonowych wykorzystywany jest między innymi izotop radonu—222 (Rn222). Uzupełnij poniższe informacje tak, aby uzyskać poprawny opis atomu radonu—222. W puste miejsca wstaw odpowiednie liczby. liczba atomowa: 1. 202, 2. 222, 3. 6, 4. 222, 5. 8, 6. 86, 7. 146, 8. 86, 9. 136, 10. 80, 11. 86
liczba masowa: 1. 202, 2. 222, 3. 6, 4. 222, 5. 8, 6. 86, 7. 146, 8. 86, 9. 136, 10. 80, 11. 86
liczba nukleonów: 1. 202, 2. 222, 3. 6, 4. 222, 5. 8, 6. 86, 7. 146, 8. 86, 9. 136, 10. 80, 11. 86
liczba protonów: 1. 202, 2. 222, 3. 6, 4. 222, 5. 8, 6. 86, 7. 146, 8. 86, 9. 136, 10. 80, 11. 86
liczba elektronów: 1. 202, 2. 222, 3. 6, 4. 222, 5. 8, 6. 86, 7. 146, 8. 86, 9. 136, 10. 80, 11. 86
liczba neutronów: 1. 202, 2. 222, 3. 6, 4. 222, 5. 8, 6. 86, 7. 146, 8. 86, 9. 136, 10. 80, 11. 86
liczba powłok elektronowych: 1. 202, 2. 222, 3. 6, 4. 222, 5. 8, 6. 86, 7. 146, 8. 86, 9. 136, 10. 80, 11. 86
liczba elektronów walencyjnych: 1. 202, 2. 222, 3. 6, 4. 222, 5. 8, 6. 86, 7. 146, 8. 86, 9. 136, 10. 80, 11. 86
3
Ćwiczenie 8
RlQzNK34cuB1q
Poniżej znajduje się niepełna notatka dotycząca gazów szlachetnych. W puste miejsca notatki wstaw odpowiednie liczby. Noble gases are non-metals located in the 1. 36, 2. 18, 3. 10, 4. 8, 5. 4, 6. 2, 7. 36, 8. 3, 9. 18th group of the periodic table. Noble gases are chemically inactive. It is related to the energetically stable electronic configuration of their atoms. The helium atom has 1. 36, 2. 18, 3. 10, 4. 8, 5. 4, 6. 2, 7. 36, 8. 3, 9. 18 valence electrons, while the atoms of the other noble gases each have 1. 36, 2. 18, 3. 10, 4. 8, 5. 4, 6. 2, 7. 36, 8. 3, 9. 18 valence electrons.

The argon atom has 1. 36, 2. 18, 3. 10, 4. 8, 5. 4, 6. 2, 7. 36, 8. 3, 9. 18 electrons, of which 1. 36, 2. 18, 3. 10, 4. 8, 5. 4, 6. 2, 7. 36, 8. 3, 9. 18 are in the atomic core. The electrons in the argon atom move within 1. 36, 2. 18, 3. 10, 4. 8, 5. 4, 6. 2, 7. 36, 8. 3, 9. 18 electron shells.

There are 1. 36, 2. 18, 3. 10, 4. 8, 5. 4, 6. 2, 7. 36, 8. 3, 9. 18 protons in the nucleus of the krypton atom. There are 1. 36, 2. 18, 3. 10, 4. 8, 5. 4, 6. 2, 7. 36, 8. 3, 9. 18 electrons in the electron cloud of a krypton atom. The electrons in the krypton atom move within 1. 36, 2. 18, 3. 10, 4. 8, 5. 4, 6. 2, 7. 36, 8. 3, 9. 18 electron shells.
Glossary

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Orlińska I., Orliński K., Na krańcu układu – gazy szlachetne, „Chemia w szkole” 2018, nr 3, s. 6‑15.

Szymońska J., Litwin M., Stka‑Wlazło Sz., To jest chemia 1. Chemia ogólna i nieorganiczna. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2015.

bg‑gray3

Notatnik

RoaOfZSTSyxSp
(Uzupełnij).
Aplikacje dostępne w
Pobierz aplikację ZPE - Zintegrowana Platforma Edukacyjna na androida