18.12 Tilvist, framleiðsla og eiginleikar eðalgastegunda

Tilvist, framleiðsla og eiginleikar eðalgastegunda

Námsmarkmið

Í lok þessa kafla muntu geta:

Lýst eiginleikum, framleiðslu og notkun eðalgastegunda

Frumefnin í hóp 18 eru eðalgastegundir (helíum, neon, argon, krypton, xenon og radon). Þau fengu nafnið „eðal“ vegna þess að gengið var út frá því að þau væru óhvarfgjörn þar sem þau hafa fullskipuð gildishvolf. Árið 1962 sannaði dr. Neil Bartlett við University of British Columbia að þessi forsenda væri röng.

Þessi frumefni eru til staðar í andrúmsloftinu í litlu magni. Sumt jarðgas inniheldur 1–2% helíum miðað við massa. Helíum er einangrað úr jarðgasi með því að breyta þéttanlegum efnisþáttum í vökva og skilja aðeins helíum eftir sem gas. Bandaríkin eiga mest af heimsbirgðum þessa frumefnis til sölu á sínum helíumberandi gassvæðum. Argon, neon, krypton og xenon eru unnin með hluteimingu á fljótandi lofti. Radon kemur frá öðrum geislavirkum frumefnum. Nýlega kom í ljós að þetta geislavirka gas er til staðar í mjög litlu magni í jarðvegi og steinefnum. Uppsöfnun þess í vel einangruðum, þétt lokuðum byggingum er þó heilsuspillandi, einkum vegna hættu á lungnakrabbameini.

Suðumark og bræðslumark eðalgastegunda eru afar lág miðað við önnur efni með sambærilegan atóm- eða sameindamassa. Þetta er vegna þess að aðeins veikir London-dreifkraftar eru til staðar og þessir kraftar geta aðeins haldið atómunum saman þegar sameindahreyfing er mjög lítil, eins og við mjög lágt hitastig. Helíum er eina þekkta efnið sem storknar ekki við kælingu við venjulegan þrýsting. Það helst fljótandi nálægt alkuli (0,001 K) við venjulegan þrýsting en storknar við aukinn þrýsting.

Helíum er notað til að fylla blöðrur og loftför sem eru léttari en loft vegna þess að það brennur ekki, sem gerir það öruggara í notkun en vetni. Helíum við háan þrýsting er ekki deyfandi eins og nitur. Þess vegna eru efnablöndur af súrefni og helíum mikilvægar fyrir kafara sem vinna undir háum þrýstingi. Notkun helíum-súrefnisblöndu kemur í veg fyrir ruglástand sem kallast niturdeyfing, svokölluð djúpsjávarvíma. Helíum er mikilvægt sem hvarflaust andrúmsloft við bræðslu og suðu á auðoxanlegum málmum og fyrir mörg efnaferli sem eru viðkvæm fyrir lofti.

Fljótandi helíum (suðumark, 4,2 K) er mikilvægt kælimiðil til að ná því lága hitastigi sem er nauðsynlegt fyrir rannsóknir á sviði frosttækni og það er ómissandi til að ná því lága hitastigi sem þarf til að framkalla ofurleiðni í hefðbundnum ofurleiðandi efnum sem notuð eru í öfluga segla og önnur tæki. Þessi kæligeta er nauðsynleg fyrir seglana sem notaðir eru í segulómun, sem er algeng læknisfræðileg greiningaraðferð. Hinn algengi kælimiðillinn er fljótandi nitur (suðumark, 77 K), sem er umtalsvert ódýrara.

Neon er hluti af neonlömpum og -skiltum. Þegar neisti er leiddur í gegnum rör sem inniheldur neon við lágan þrýsting myndast hinn kunnuglegi rauði bjarmi neons. Hægt er að breyta lit ljóssins með því að blanda argoni eða kvikasilfursgufu saman við neonið eða með því að nota glerrör í sérstökum lit.

Argon var nytsamlegt við framleiðslu á gasfylltum ljósaperum, þar sem lægri varmaleiðni þess og efnafræðilegt hvarfleysi gerðu það hentugra en nitur til að hindra uppgufun wolframþráðarins og lengja líftíma perunnar. Flúrljós innihalda oftast efnablöndu af argoni og kvikasilfursgufu. Argon er þriðja algengasta gasið í þurru lofti.

Krypton-xenon leifturrör eru notuð til að taka háhraðaljósmyndir. Rafafhleðsla í gegnum slíkt rör gefur mjög ákaft ljós sem varir aðeins í ${\frac{1}{{50.000}}}$ úr sekúndu. Krypton myndar díflúoríð, KrF₂, sem er varmafræðilega óstöðugt við stofuhita.

Stöðug efnasambönd xenons myndast þegar xenon hvarfast við flúor. Xenondíflúoríð, XeF₂, myndast eftir að umframmagn af xenongasi er hitað með flúorgasi og síðan kælt. Efnið myndar litlausa kristalla sem eru stöðugir við stofuhita í þurru andrúmslofti. Xenontetraflúoríð, XeF₄, og xenonhexaflúoríð, XeF₆, eru framleidd á sambærilegan hátt, með efnismagnsfræðilegu magni af flúor og umframmagni af flúor, í sömu röð. Efnasambönd með súrefni eru framleidd með því að skipta flúoratómum í xenonflúoríðum út fyrir súrefni.

Þegar XeF₆ hvarfast við vatn myndast lausn af XeO₃ og xenonið helst á 6+-oxunarstiginu:

{XeF}_{6} (s) + {3H}_{2} O (l) ⟶ {XeO}_{3} (a q) + 6HF (a q)

Þurrt, fast xenontríoxíð, XeO₃, er gríðarlega sprengifimt – það springur sjálfkrafa. Bæði XeF₆ og XeO₃ óhlutfalla í basískri lausn og mynda xenon, súrefni og sölt af perxenatjóninni, ${{{\text{XeO}}}_{6}^{{4−}},}$ , þar sem xenon nær hámarks oxunarstigi sínu, 8+.

Radon myndar að því er virðist RnF₂ – vísbendingar um þetta efnasamband koma frá geislaefnafræðilegum snefilaðferðum.

Óstöðug efnasambönd argons myndast við lágt hitastig, en engin stöðug efnasambönd helíums og neons eru þekkt.