W czym przejawia się szlachetność w gazach szlachetnych?

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 szlachetnymi. W czym przejawia się ich szlachetność? Co wspólnego mają te gazy z „neonami” reklamowymi? Odpowiedź na te pytania znajdziesz w poniższym materiale.

R1BX42DCEdju8

Na zdjęciu ukazano wypełnioną ludźmi uliczkę, znajdującą się pomiędzy dwoma rzędami kamienic. Pomiędzy budynkami rozwieszone są różnokolorowe neonowe napisy, dominują jednak odcienie różowe, złote oraz niebieskie – rzucają one poświatę na ludzi oraz kamienice. — Neony reklamowe
Źródło: Gromar Sp. z o.o., dostępny w internecie: www.piqsels.com, domena publiczna.

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

Z lewej strony ilustracji zamieszczono wykres kołowy ukazujący skład procentowy powietrza. Jest on podzielony na trzy części: część niebieska, oznaczająca azot, stanowi nieco ponad trzy czwarte wykresu; część czerwona – tlen – zajmuje około jedną piątą całego wykresu; natomiast część żółta, oznaczająca pozostałe pierwiastki, stanowi zaledwie jedną setną powierzchni wykresu. Z prawej strony ilustracji, na górze, zapisano legendę do wykresu oraz dokładny skład procentowy pierwiastków: azot – siedemdziesiąt osiem procent, tlen – dwadzieścia jeden procent i pozostałe – jeden procent. Od legendy poprowadzone zostały dwie niebieskie strzałki w dół. Lewa strzałka wskazuje na niebieski napis: składniki o stałej zawartości w powietrzu. Nieco niżej umieszczono zieloną ramkę, w której kolorem niebieskim zapisano: gazy szlachetne. Poniżej zostały one wymienione jeden pod drugim, a są to: argon, krypton, ksenon, neon, hel. Prawa strzałka prowadzi do niebieskiego napisu: składniki o zmiennej zawartości w powietrzu. Poniżej w kolumnie zapisano: para wodna, tlenek węgla(IV), ozon, amoniak, wodór. Pod spodem, jeden pod drugim, zapisano: tlenki azotu, tlenki siarki, pyły, węglowodory, mikroorganizmy. Składniki te zostały objęte niebieską niebieską klamrą i podpisane: w powietrzu zanieczyszczonym. — 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: argon, hel, neon, krypton oraz ksenon. 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	$9,3 \cdot 10^{- 1} % = 0,93 %$
neon	$1,8 \cdot 10^{- 3} % = 0,0018 %$
hel	$5,2 \cdot 10^{- 4} % = 0,00052 %$
krypton	$1 \cdot 10^{- 4} % = 0,0001 %$
ksenon	$8,7 \cdot 10^{- 6} % = 0,0000087 %$

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.

Polecenie 1

RYoRQ4lxxGdA8

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

Polecenie 2

RGfbdMMLOWj8R

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

Polecenie 3

Wykorzystując dane zamieszczone w powyższej tabeli, oblicz objętość każdego z wymienionych w niej gazów szlachetnych, zawartych w pomieszczeniu o wymiarach $400 x 400 x 300 cm$ . Wyniki podaj w ${cm}^{3}$ , z dokładnością do pierwszego miejsca po przecinku (nie zaokrąglaj wyników cząstkowych). Załóż, że pomiarów dokonano temperaturze pokojowej, pod ciśnieniem normalnym.

REfI1ZouFvOlX

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

R1Fo8LOp5yNWy

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

Przeanalizuj poniższe rozwiązanie zadania. Czy uzyskane przez Ciebie wyniki są takie, jak te poniżej? Czy pamiętałaś/pamiętałeś o odpowiedniej jednostce i zaokrągleniu?

$1 .$ Obliczmy objętość powietrza zawartego w pokoju.
Pomieszczenie ma kształt prostopadłościanu. Zatem żeby policzyć objętość wypełniającego go powietrza, należy pomnożyć przez siebie długości poszczególnych jego krawędzi:

$V_{powietrza} = 400 cm \cdot 400 cm \cdot 300 cm = 48000000 {cm}^{3}$

$2 .$ W tabeli podano zawartość procentową analizowanych gazów szlachetnych w powietrzu w procentach objętościowych. Obliczmy objętość każdego z tych gazów zawartego w powietrzu wypełniającym opisane pomieszczenie:

argon stanowi $0,93 %$ (czyli $0,0093$ ) objętości powietrza. Zatem:
$V_{argonu} = 0,0093 \cdot 48000000 {cm}^{3} = 446400,0 {cm}^{3}$
neon stanowi $0,0018 %$ (czyli $0,000018$ ) objętości powietrza. Zatem:
$V_{neonu} = 0,000018 \cdot 48000000 {cm}^{3} = 864,0 {cm}^{3}$
hel stanowi $0,00052 %$ (czyli $0,0000052$ ) objętości powietrza. Zatem:
$V_{helu} = 0,0000052 \cdot 48000000 {cm}^{3} = 249,6 {cm}^{3}$
krypton stanowi $0,0001 %$ (czyli $0,000001$ ) objętości powietrza. Zatem:
$V_{kryptonu} = 0,000001 \cdot 48000000 {cm}^{3} = 48,0 {cm}^{3}$
ksenon stanowi $0,0000087 %$ (czyli $0,000000087$ ) objętości powietrza. Zatem:
$V_{ksenonu} = 0,000000087 \cdot 48000000 {cm}^{3} ≃ 4,2 {cm}^{3}$

W opisanym pomieszczeniu, w podanych warunkach temperatury i ciśnienia, znajduje się około $446400,0 {cm}^{3}$ argonu, $864,0 {cm}^{3}$ neonu, $249,6 {cm}^{3}$ helu, $48,0 {cm}^{3}$ kryptonu oraz $4,2 {cm}^{3}$ ksenonu.

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

Ilustracja przedstawia układ okresowy pierwiastków chemicznych. Każdy pierwiastek znajduje się w kwadracie, do którego legendę umieszczono nad układem. W centrum kwadratu znajduje się symbol pierwiastka, pod nim jego nazwa, w lewym górnym rogu liczba atomowa, w prawym górnym rogu masa atomowa. Układ składa się z kolumn zwanych grupami oraz wierszy zwanych okresami. Grupy i okresy są ponumerowane. W grupach znajdują się pierwiastki o podobnych właściwościach, w okresach właściwości pierwiastków zmieniają się stopniowo. Grup jest 18, okresów 7. Pierwiastki podzielono na cztery grupy. Metale – zaznaczone na kolor niebieski, niemetale – zaznaczone na kolor żółty, gazy szlachetne – zaznaczone na kolor pomarańczowy oraz nieokreślone – zaznaczone na kolor szary. Gazy szlachetne znajdują się w osiemnastej grupie, zostały dodatkowo zaznaczone prostokątem w zielonym kolorze. Są to: hel (symbol He, liczba atomowa 2, masa atomowa 4,00); neon (symbol Ne, liczba atomowa 10, masa atomowa 20,18); argon (symbol Ar, liczba atomowa 18, masa atomowa 39,95); krypton (symbol Kr, liczba atomowa 36, masa atomowa 83,80); ksenon (symbol 54, liczba atomowa 54, masa atomowa 131,29); radon (symbol Rn, liczba atomowa 86, masa atomowa 222,02). Poniżej opis całości układu. Pierwiastki uszeregowane są wraz ze wzrostem liczby atomowej. Wodór, symbol: H, liczba atomowa: 1, masa atomowa: 1,01. Hel, symbol: He, liczba atomowa: 2, masa atomowa: 4,00. Lit, symbol: Li, liczba atomowa: 3, masa atomowa: 6,94. Beryl, symbol: Be, liczba atomowa: 4 , masa atomowa: 9,01. Bor, symbol: B, liczba atomowa: 5, masa atomowa: 10,81. Węgiel, symbol: C, liczba atomowa: 6, masa atomowa: 12,01. Azot, symbol: N, liczba atomowa: 7, masa atomowa: 14,01. Tlen, symbol: O, liczba atomowa: 8, masa atomowa: 16,00. Fluor, symbol: F, liczba atomowa: 9, masa atomowa: 19. Neon, symbol: Ne, liczba atomowa: 10, masa atomowa: 20,18. Sód, symbol: Na, liczba atomowa: 11, masa atomowa: 22,99. Magnez, symbol: Mg, liczba atomowa: 12, masa atomowa: 24,31. Glin, symbol: Al, liczba atomowa: 13, masa atomowa: 26,98. Krzem, symbol: Si, liczba atomowa: 14, masa atomowa: 28,09. Fosfor, symbol: P, liczba atomowa: 15, masa atomowa: 30,97. Siarka, symbol: S, liczba atomowa: 16, masa atomowa: 32,07. Chlor, symbol: Cl, liczba atomowa: 17, masa atomowa: 35,45. Argon, symbol: Ar, liczba atomowa: 18, masa atomowa: 39,95. Potas, symbol: K, liczba atomowa: 19, masa atomowa: 39,10. Wapń, symbol: Ca, liczba atomowa: 20, masa atomowa: 40,08. Skand, symbol: Sc, liczba atomowa: 21, masa atomowa: 44,96. Tytan, symbol: Ti, liczba atomowa: 22, masa atomowa: 47,87. Wanad, symbol: V, liczba atomowa: 23, masa atomowa: 50,94. Chrom, symbol: Cr, liczba atomowa: 24, masa atomowa: 52,00. Mangan, symbol: Mn, liczba atomowa: 25, masa atomowa: 54,94. Żelazo, symbol: Fe, liczba atomowa: 26, masa atomowa: 55,85. Kobalt, symbol: Co, liczba atomowa: 27, masa atomowa: 58,93. Nikiel, symbol: Ni, liczba atomowa: 28, masa atomowa: 58,69. Miedź, symbol: Cu, liczba atomowa: 29, masa atomowa: 63,55. Cynk, symbol: Zn, liczba atomowa: 30, masa atomowa: 65,38. Gal, symbol: Ga, liczba atomowa: 31, masa atomowa: 69,72. German, symbol: Ge, liczba atomowa: 32, masa atomowa: 72,63. Arsen, symbol: As, liczba atomowa: 33, masa atomowa: 74,92. Selen, symbol: Se, liczba atomowa: 34, masa atomowa: 78,97. Brom, symbol: Br, liczba atomowa: 35, masa atomowa: 79,90. Krypton, symbol: Kr, liczba atomowa: 36, masa atomowa: 83,80. Rubid, symbol: Rb, liczba atomowa: 37, masa atomowa: 85,47. Stront, symbol: Sr, liczba atomowa: 38, masa atomowa: 87,62. Itr, symbol: Y, liczba atomowa: 39, masa atomowa: 88,91. Cyrkon, symbol: Zr, liczba atomowa: 40, masa atomowa: 91,22. Niob, symbol: Nb, liczba atomowa: 41, masa atomowa: 92,91. Molibden, symbol: Mo, liczba atomowa: 42, masa atomowa: 95,95. Technet, symbol: Tc, liczba atomowa: 43, masa atomowa: 97,91. Ruten, symbol: Ru, liczba atomowa: 44, masa atomowa: 101,07. Rod, symbol: Rh, liczba atomowa: 45, masa atomowa: 102,91. Pallad, symbol: Pd, liczba atomowa: 46, masa atomowa: 106,42. Srebro, symbol: Ag, liczba atomowa: 47, masa atomowa: 107,87. Kadm, symbol: Cd, liczba atomowa: 48, masa atomowa: 112,41. Ind, symbol: In, liczba atomowa: 49, masa atomowa: 114,82. Cyna, symbol: Sn, liczba atomowa: 50, masa atomowa: 118,71. Antymon, symbol: Sb, liczba atomowa: 51, masa atomowa: 121,76. Tellur, symbol: Te, liczba atomowa: 52, masa atomowa: 127,60. Jod, symbol: I, liczba atomowa: 53, masa atomowa: 126,90. Ksenon, symbol: Xe, liczba atomowa: 54, masa atomowa: 131,29. Cez, symbol: Cs, liczba atomowa: 55, masa atomowa: 132,91. Bar, symbol: Ba, liczba atomowa: 56, masa atomowa: 137,33. Lantan, symbol: La, liczba atomowa: 57, masa atomowa: 138,91. Cer, symbol: Ce, liczba atomowa: 58, masa atomowa: 140,12. Prazeodym, symbol: Pr, liczba atomowa: 59, masa atomowa: 140,91. Neodym, symbol: Nd, liczba atomowa: 60, masa atomowa: 144,24. Promet, symbol: Pm, liczba atomowa: 61, masa atomowa: 144,91. Samar, symbol: Sm, liczba atomowa: 62, masa atomowa: 150,36. Europ, symbol: Eu, liczba atomowa: 63, masa atomowa: 151,69. Gadolin, symbol: Gd, liczba atomowa: 64, masa atomowa: 157,25. Terb, symbol: Tb, liczba atomowa: 65, masa atomowa: 158,93. Dysproz, symbol: Dy, liczba atomowa: 66, masa atomowa: 162,50. Holm, symbol: Ho, liczba atomowa: 67, masa atomowa: 164,93. Erb, symbol: Er, liczba atomowa: 68, masa atomowa: 167,26. Tul, symbol: Tm, liczba atomowa: 69, masa atomowa: 168,93. Iterb, symbol: Yb, liczba atomowa: 70, masa atomowa: 173,04. Lutet, symbol: Lu, liczba atomowa: 71, masa atomowa: 174,97. Hafn, symbol: Hf, liczba atomowa: 72, masa atomowa: 178,49. Tantal, symbol: Ta, liczba atomowa: 73, masa atomowa: 180,95. Wolfram, symbol: W, liczba atomowa: 74, masa atomowa: 183,95. Ren, symbol: Re, liczba atomowa: 75, masa atomowa: 186,21. Osm, symbol: Os, liczba atomowa: 76, masa atomowa: 190,23. Iryd, symbol: Ir, liczba atomowa: 77, masa atomowa: 192,22. Platyna, symbol: Pt, liczba atomowa: 78, masa atomowa: 195,08. Złoto, symbol: Au, liczba atomowa: 79, masa atomowa: 196,97. Rtęć, symbol: Hg, liczba atomowa: 80, masa atomowa: 200,59. Tal, symbol: Tl, liczba atomowa: 81, masa atomowa: 204,38. Ołów, symbol: Pb, liczba atomowa: 82, masa atomowa: 207,2. Bizmut, symbol: Bi, liczba atomowa: 83, masa atomowa: 208,98. Polon, symbol: Po, liczba atomowa: 84, masa atomowa: 208,98. Astat, symbol: At, liczba atomowa: 85, masa atomowa: 209,99. Radon, symbol: Rn, liczba atomowa: 86, masa atomowa: 222,02. Frans, symbol: Fr, liczba atomowa: 87, masa atomowa: 223,02. Rad, symbol: Ra, liczba atomowa: 88, masa atomowa: 226,03. Aktyn, symbol: Ac, liczba atomowa: 89, masa atomowa: 227,03. Tor, symbol: Th, liczba atomowa: 90, masa atomowa: 232,04. Proaktyn, symbol: Pa, liczba atomowa: 91, masa atomowa: 231,04. Uran, symbol: U, liczba atomowa: 92, masa atomowa: 238,03. Neptun, symbol: Np, liczba atomowa: 93, masa atomowa: 237,05. Pluton, symbol: Pu, liczba atomowa: 94, masa atomowa: 244,06. Ameryk, symbol: Am, liczba atomowa: 95, masa atomowa: 243,06. Kiur, symbol: Cm, liczba atomowa: 96, masa atomowa: 247,07. Bekerel, symbol: Bk, liczba atomowa: 97, masa atomowa: 247,07. Kaliforn, symbol: Cf, liczba atomowa: 98, masa atomowa: 251,08. Einstein, symbol: Es, liczba atomowa: 99, masa atomowa: 252,08. Ferm, symbol: Fm, liczba atomowa: 100, masa atomowa: 257,10. Mendelew, symbol: Md, liczba atomowa: 101, masa atomowa: 258,10. Nobel, symbol: No, liczba atomowa: 102, masa atomowa: 259,10. Lorens, symbol: Lr, liczba atomowa: 103, masa atomowa: 262,11. Rutherford, symbol: Rf, liczba atomowa: 104, masa atomowa: 267,12. Dubn, symbol: Db, liczba atomowa: 105, masa atomowa: 268,13. Seaborg, symbol: Sg, liczba atomowa: 106, masa atomowa: 271,13. Bohr, symbol: Bh, liczba atomowa: 107, masa atomowa: 274,14. Has, symbol: Hs, liczba atomowa: 108, masa atomowa: 277,15. Meitner, symbol: Mt, liczba atomowa: 109, masa atomowa: 278,16. Darmsztadt, symbol: Ds, liczba atomowa: 110, masa atomowa: 281,17. Roentgen, symbol: Rg, liczba atomowa: 111, masa atomowa: 282,17. Kopernik, symbol: Cn, liczba atomowa: 112, masa atomowa: 285,18. Nihon, symbol: Nh, liczba atomowa: 113, masa atomowa: 286,18. Flerow, symbol: Fl, liczba atomowa: 114, masa atomowa: 289,19. Moskow, symbol: Mc, liczba atomowa: 115, masa atomowa: 290,20. Livermor, symbol: Lv, liczba atomowa: 116, masa atomowa: 293,21. Tenes, symbol: Ts, liczba atomowa: 117, masa atomowa: 294,21. Oganeson, symbol: Og, liczba atomowa: 118, masa atomowa: 294,21. — 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 radon. 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.

Polecenie 4

REQaNEDNzyMqd

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

Wybrane właściwości fizykochemiczne gazów szlachetnych.

Laboratorium 1

Przeprowadź eksperyment w wirtualnym laboratorium. Przyjrzyj się dostępnym w nim odczynnikom i sprzętowi laboratoryjnemu. Zastanów się, jakie właściwości fizykochemiczne gazów szlachetnych można zbadać, mając do dyspozycji wspomniane wyposażenie laboratorium. Wykonaj odpowiednie eksperymenty, a w ich trakcie uzupełnij dziennik laboratoryjny (polecenie $3$ ). Następnie, na podstawie prób przeprowadzonych w wirtualnym laboratorium, wykonaj polecenia od $4$ do $6$ .

R1eDkdWdojgpF1

Źródło: licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 5

RCntp0cgkhdsv

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

Poniżej znajduje się przykładowo uzupełniony dziennik laboratoryjny. Ile z zawartych w nim informacji znalazło się w Twojej notatce?

RBDeDFE6y6xmD

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

Polecenie 6

R1PA5rWHNmGhN

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

Polecenie 7

RyjPpc9UK1KFD

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

Polecenie 8

Wszystkie gazy szlachetne charakteryzują się podobnymi właściwościami fizykochemicznymi. W pewnym laboratorium chemicznym, z zachowaniem wszelkich środków ostrożności, do probówki wypełnionej radonem wprowadzono zapalone łuczywo.

Napisz, jakich obserwacji należy spodziewać się w doświadczeniu wykonanym we wspomnianym laboratorium i o jakich właściwościach radonu świadczą te obserwacje.

Uwaga: Podczas pracy z radonem należy zachować wszelkie środki ostrożności. Wg raportu Agencji Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych z $2003 r .$ radon stanowił drugą (po paleniu tytoniu) przyczynę raka płuc u tamtejszych mieszkańców.

RI5M96QOIuipA

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

Jak zapewne udało Ci się wykazać w wirtualnym laboratorium, badane w nim substancje (hel, neon, argon, krypton i ksenon) to bezbarwne, niepalne i nie podtrzymujące spalania gazy. Do listy ich „wspólnych” właściwości należy również dopisać, że są to gazy bezwonne, bez smaku, praktycznie nierozpuszczalne w wodzie. Takimi samymi właściwościami charakteryzuje się również radon.

Gazy szlachetne pod wpływem wyładowań elektrycznych emitują światło widzialne. Barwy światła emitowanego przez poszczególne gazy szlachetne, pod wpływem wyładowań elektrycznych, przedstawiono na poniższej grafice.

R4DfkGcdjFzWe

Na ilustracji ukazano, jakiego koloru światło emitują poszczególne gazy szlachetne pod wpływem wyładowań elektrycznych. Hel – złotoczerwone, neon – czerwone, argon – fioletowe, krypton – białoniebieskie, ksenon – białe. — Gazy szlachetne emitujące światło widzialne pod wpływem wyładowań elektrycznych.
Źródło: Alchemist-hp, dostępny w internecie: www.commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Dla zainteresowanych

W momencie kiedy przez gaz szlachetny zaczyna płynąć prąd o odpowiednich parametrach, elektrony walencyjne w atomach tego gazu zostają wybijane ze swoich poziomów energetycznych, co wiąże się ze wzrostem ich energii. Powracające „na swoje miejsca” elektrony, pozbywają się nadmiarowej energii, emitując ją na sposób światła.

Gazy szlachetne charakteryzują się zróżnicowaną gęstością, przewodnością cieplnąprzewodnością cieplną oraz temperaturami wrzenia i topnienia. Wartości wymienionych wielkości fizycznych dla gazów szlachetnych zestawiono w poniższej tabeli. Dla porównania, w tabeli zamieszczono również przybliżone dane dotyczące suchego powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym. Dzięki niskim wartościom przewodności cieplnej niektóre z gazów szlachetnych znalazły zastosowanie w produkcji szyb zespolonych, czyli szyb termoizolacyjnych. Szyby te składają się z dwóch lub więcej tafli szkła płaskiego, pomiędzy którymi powstaje hermetycznie zamknięta przestrzeń międzyszybowa. Przestrzeń ta wypełniona jest gazem szlachetnym (najczęściej argonem) lub suchym powietrzem, co powoduje zmniejszenie przewodności cieplnej.

Symbol gazu szlachetnego	Gęstość, $\frac{kg}{m^{3}}$	Temperatura wrzenia, $° C$	Temperatura topnienia, $° C$	Przewodność cieplna, $\frac{W}{m \cdot K}$
$He$	$0,179$	$- 268,93$	nie ulega zestaleniu pod ciśnieniem normalnym	$0,152$
$Ne$	$0,825$	$- 246,05$	$- 248,61$	$0,04930$
$Ar$	$1,784$	$- 185,85$	$- 189,36$	$0,01772$
$Kr$	$3,425$	$- 153,34$	$- 157,38$	$0,00949$
$Xe$	$5,366$	$- 108,09$	$- 111,75$	$0,00565$
$Rn$	$9,074$	$- 61,70$	$- 71,00$	$0,00361$
powietrze	$1,200$	$- 191,00$	$- 213,00$	$0,02500$

Indeks górny Wybrane właściwości fizyczne gazów szlachetnych i powietrza. Dla porównania, gęstość wody w temperaturze pokojowej wynosi około $1000 \frac{kg}{m^{3}}$ . Dane z tabeli pochodzą ze stron Wikipedii dotyczących poszczególnych gazów szlachetnych/powietrza. Przewodność cieplna powietrza – dana ze strony: https://www.muratorplus.pl/. Indeks górny koniec

Polecenie 9

R1b1IX5Nqc7CI

Przeanalizuj dane zawarte w tabeli, a następnie uzupełnij poniższy tekst. W temperaturze

- 247 ° C

, pod ciśnieniem normalnym, neon jest gazemcieczą. Ksenon w temperaturze

- 50 ° C

, pod ciśnieniem normalnym, występuje w formie gazowej/ciekłej. Najlepszym przewodnictwem cieplnym wśród gazów szlachetnych charakteryzuje się hel/radon, najgorszym zaś hel/radon. Przewodnictwo cieplne argonu jest mniejsze/większe od przewodnictwa cieplnego powietrza. Balonik napełniony helem, puszczony swobodnie, unosi się/opada na podłogę. Balonik napełniony argonem, puszczony swobodnie, unosi się/opada na podłogę. Zachowanie się puszczonych swobodnie baloników, wypełnionych helem i argonem, można wyjaśnić, porównując przewodność cieplną/gęstość tych gazów z przewodnością cieplną/gęstością powietrza.

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

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.

R4oaiXtoQyjRN

Wykres kolumnowy. Lista elementów: 1. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: HeGęstość: 0.164; Podpis osi wartości: gęstość (

\frac{kg}{m^{3}}

)2. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: NeGęstość: 0.824; Podpis osi wartości: gęstość (

\frac{kg}{m^{3}}

)3. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: ArGęstość: 1.635; Podpis osi wartości: gęstość (

\frac{kg}{m^{3}}

)4. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: KrGęstość: 3.43; Podpis osi wartości: gęstość (

\frac{kg}{m^{3}}

)5. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: XeGęstość: 5.396; Podpis osi wartości: gęstość (

\frac{kg}{m^{3}}

)6. zestaw danych:Symbol gazu szlachetnego: PowietrzeGęstość: 1.185; Podpis osi wartości: gęstość (

\frac{kg}{m^{3}}

)

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 10

RK3O2IYhuq5X1

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

W wirtualnym laboratorium wykazano, że badane w nim helowce są niepalnymi gazami. Innymi słowy, nie reagują one z tlenem. Gazy szlachetne charakteryzują się bardzo małą aktywnością chemiczną – są obojętne (odporne) na działanie większości substancji chemicznych, stąd ich nazwa szlachetne.

Za właściwości chemiczne pierwiastków odpowiedzialne są między innymi elektrony walencyjne w ich atomach. Dlatego też, aby odpowiedzieć na pytanie, z czego wynika bierność chemiczna gazów szlachetnych, należy przyjrzeć się konfiguracjom elektronowym ich atomów.

	konfiguracja elektronowa atomu – zapis powłokowy	konfiguracja elektronowa atomu – zapis podpowłokowy	konfiguracja elektronowa poziomu walencyjnego – zapis graficzny
hel	$K^{2}$	$1 s^{2}$	R19NFASaiShxI Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
neon	$K^{2} L^{8}$	$1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6}$	RjDVqk4pMatNN Na ilustracji ukazano zapis graficzny konfiguracji elektronowej poziomu walencyjnego neonu. Z lewej strony znajduje się kwadrat, w którym znajdują się dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: dwa s. Dalej znajdują się trzy kwadraty, w każdym są umieszczone dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: dwa p. Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
argon	$K^{2} L^{8} M^{8}$	$1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6}$	RYYFpCQhBIxD7 Na ilustracji ukazano zapis graficzny konfiguracji elektronowej poziomu walencyjnego argonu. Z lewej strony znajduje się kwadrat, w którym znajdują się dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: trzy s. Dalej znajdują się trzy kwadraty, w każdym są umieszczone dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: trzy p. Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
krypton	$K^{2} L^{8} M^{18} N^{8}$	$1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6} 4 s^{2} 3 d^{10} 4 p^{6}$	RJbeHOdrL18lx Na ilustracji ukazano zapis graficzny konfiguracji elektronowej poziomu walencyjnego kryptonu. Z lewej strony znajduje się kwadrat, w którym znajdują się dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: cztery s. Dalej znajdują się trzy kwadraty, w każdym są umieszczone dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: cztery p. Źródło: GroMar sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
ksenon	$K^{2} L^{8} M^{18} N^{32} O^{8}$	$1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6} 4 s^{2} 3 d^{10} 4 p^{6} 5 s^{2} 4 d^{10} 5 p^{6}$	RrNcL0Wd9t135 Na ilustracji ukazano zapis graficzny konfiguracji elektronowej poziomu walencyjnego neonu. Z lewej strony znajduje się kwadrat, w którym znajdują się dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: pięć s. Dalej znajdują się trzy kwadraty, w każdym są umieszczone dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: pięć p. Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
radon	$K^{2} L^{8} M^{18} N^{32} O^{18} P^{8}$	$1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6} 4 s^{2} 3 d^{10} 4 p^{6} 5 s^{2} 4 d^{10} 5 p^{6} 6 s^{2} 4 f^{14} 5 d^{10} 6 p^{6}$	R11M0nG66PFIz Na ilustracji ukazano zapis graficzny konfiguracji elektronowej poziomu walencyjnego neonu. Z lewej strony znajduje się kwadrat, w którym znajdują się dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: sześć s. Dalej znajdują się trzy kwadraty, w każdym są umieszczone dwie czerwone strzałki: jedna skierowana w górę i jedna skierowana w dół. Pod spodem znajduje się czerwony podpis: sześć p. Źródło: GroMar sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Indeks górny Konfiguracje elektronowe atomów wybranych gazów szlachetnych. Na czerwono zaznaczono elektrony walencyjne atomów poszczególnych helowców. Indeks górny koniec

Zwróć uwagę, że konfiguracje poziomów walencyjnych atomów poszczególnych gazów szlachetnych są do siebie podobne. Choć wydaje się, że wyjątkiem jest tutaj hel, to zarówno w jego atomach, jak i w atomach pozostałych gazów szlachetnych nie ma niesparowanych elektronów (na każdym poziomie energrtycznym (w jednej klatce) znajdują się dwa elektrony).

Konfiguracja elektronowa, jaką posiadają atomy gazów szlachetnych, jest bardzo trwała (stabilna) energetycznie. To między innymi brak niesparowanych elektronów utrudnia atomom helowców tworzenie cząsteczek zarówno z atomami tego samego gazu szlachetnego, jak i z innymi pierwiastkami chemicznymi. Dlatego też gazy szlachetne, w przeciwieństwie do innych gazowych pierwiastków wchodzących w skład powietrza (tlenu i azotu), nie tworzą cząsteczek – występują w powietrzu w formie atomowej.

Dla zainteresowanych

Pomimo swojej bierności chemicznej, gazy szlachetne w odpowiednich warunkach ciśnienia i temperatury mogą tworzyć pewne związki chemiczne z innymi pierwiastkami. Wzory sumaryczne wybranych związków chemicznych helowców zamieszczono poniżej:

{XeO}_{3}

{XeO}_{4}

{XeF}_{2}

{XeF}_{4}

{XeF}_{6}

{XePtF}_{6}

{RnF}_{2}

HKRf

Polecenie 11

R1LIFjUyhTcf4

Poniżej zapisano wzory sumaryczne wybranych, poznanych związków chemicznych ksenonu. Do każdego ze związków dopasuj odpowiadającą mu wartościowość ksenonu.

{XeO}_{3}

Możliwe odpowiedzi: 1.

VIII

, 2.

IV

, 3.

VI

, 4.

VI

, 5.

II

{XeO}_{4}

Możliwe odpowiedzi: 1.

VIII

, 2.

IV

, 3.

VI

, 4.

VI

, 5.

II

{XeF}_{2}

Możliwe odpowiedzi: 1.

VIII

, 2.

IV

, 3.

VI

, 4.

VI

, 5.

II

{XeF}_{4}

Możliwe odpowiedzi: 1.

VIII

, 2.

IV

, 3.

VI

, 4.

VI

, 5.

II

{XeF}_{6}

Możliwe odpowiedzi: 1.

VIII

, 2.

IV

, 3.

VI

, 4.

VI

, 5.

II

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

Ciekawostka

Ze względu na bardzo małą gęstość helu, prędkość rozchodzenia się dźwięku w tym gazie jest niemal trzykrotnie większa niż prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu (w tych samych warunkach).

	prędkość rozchodzenia się dźwięku, $\frac{m}{s}$
hel	$965$
powietrze	$340$

Indeks górny Prędkość rozchodzenia się dźwięku w helu i w powietrzu w temperaturze pokojowej. Źródło: https://pl.wikipedia.org/. Indeks górny koniec

Dlatego też, jeśli w płucach człowieka znajdzie się hel, ton jego głosu będzie nienaturalnie wysoki. Wynika to z faktu szybszego drgania poszczególnych części ośrodka mowy.

Posłuchaj poniższego nagrania.

R5qKt4iSZEOY0

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

Nagranie dostępne pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D10P7fHXC

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

Nagranie

Jeśli masz możliwość samodzielnego sprawdzenia tonu swojego głosu po wdychaniu helu, zrób to, ale zachowaj ostrożność. Koniecznie sprawdź, czy hel, którego zamierzasz użyć, nie jest zanieczyszczony. Pamiętaj, że do wykonania próby wystarczy jeden wdech helu – czystym helem nie wolno oddychać.

Wybrane zastosowania gazów szlachetnych

W poniższej galerii zdjęć omówiono wybrane zastosowania gazów szlachetnych, wynikające z ich właściwości fizykochemicznych. Zapoznaj się z nimi.

RuxIwDBxjtalP

Hel

Źródło: Pexels, dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

RHF3B8GwSkjQ9

Hel

Źródło: bohed, dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

RzLtt5DCT5eis

Hel i neon

Źródło: Mariusz.stepien, dostępny w internecie: www.commons.wikimedia.org, domena publiczna.

RDIe6lVM14t1d

Hel

Źródło: SimonWaldherr, dostępny w internecie: www.commons.wikimedia.org, domena publiczna.

R10sZzVMTuHKH

Argon i krypton

Źródło: Philippsaal, dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

RtCxOgsKHceDR

Gazy szlachetne

Źródło: emirkrasnic, dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

R1eL91pULjYSd

Gazy szlachetne

Źródło: RyanMcGuire, dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

RMZZqNjBZjW09

Gazy szlachetne

Źródło: ArtisticOperations, dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Indeks górny Wybrane zastosowania gazów szlachetnych. Indeks górny koniec

Mieszanina helu z tlenem (tak zwany Heliox) stosowana jest przez nurków jako gaz do oddychania w czasie nurkowania. Hel rozpuszcza się we krwi wolniej niż azot, który to przy gwałtownej zmianie ciśnienia (np. podczas szybkiego wynurzania się z wody) wydziela się z krwi w postaci pęcherzyków, które mogą zamykać naczynia krwionośne.

Krypton i ksenon wykorzystuje się również w diagnostyce rentgenowskiej.

Co ciekawe, zastosowanie w medycynie znalazł również szkodliwy dla zdrowia radon. W niewielkich, kontrolowanych ilościach, można wykorzystać radon między innymi w tak zwanych kąpielach radonowych, zalecanych w leczeniu cukrzycy i chorób tarczycy. Pamiętaj jednak, że długotrwałe przebywanie w miejscach, w których stężenie radonu w powietrzu jest duże, zwiększa ryzyko zachorowania na raka płuc.

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”.

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.

Słownik

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; mała aktywność gazów szlachetnych wynika ze stabilnych (trwałych) energetycznie konfiguracji elektronowych ich atomów

warunki normalne

temperatura $0 ° C$ ( $273,15 K$ ) i ciśnienie $1013,25 hPa$ ( $101325 Pa$ )

pierwiastek promieniotwórczy

pierwiastek chemiczny, który nie posiada trwałych izotopów; pierwiastek promieniotwórczy jest mieszaniną izotopów promieniotwórczych (radionuklidów)

radionuklidy

izotopy promieniotwórcze; izotopy, których jądra atomowe ulegają samorzutnym rozpadom, przekształcając się w jądra atomowe innych izotopów; rozpadowi jądra atomowego izotopu promieniotwórczego zawsze towarzyszy emisja promieniowania

przewodność cieplna (przewodnictwo cieplne)

właściwość fizyczna opisująca zdolność danej substancji do przekazywania energii na sposób ciepła; im większą przewodnością cieplną charakteryzuje się substancja, tym więcej ciepła może przez nią przepłynąć w określonej jednostce czasu w zadanych warunkach; jednostką przewodności cieplnej w układzie $SI$ jest $\frac{J}{m \cdot s \cdot K}$ (czytaj: dżul na metr razy sekundę razy kelwin), ale często wielkość tę przedstawia się z jednostką $\frac{W}{m \cdot K}$ (czytaj: wat na metr razy kelwin)

bg‑gold

Notatnik

R1cqFYdceLuxy

Sprawdź, co już wiesz

Jak odróżnić reakcję chemiczną od przemiany fizycznej?

Gazy szlachetne – występowanie w przyrodzie

Gazy szlachetne jako pierwiastki chemiczne

Wybrane właściwości fizykochemiczne gazów szlachetnych.

Wybrane zastosowania gazów szlachetnych

Podsumowanie

Słownik

Notatnik