Nemesgázok

A „nemes" jelző arra utal, hogy — a nemesfémekhez (arany, platina) hasonlóan — kémiailag rendkívül közömbösek, „nem keverednek" más anyagokkal. Mindegyikük egyatomos, színtelen, szagtalan gáz szobahőmérsékleten.

Böngészd végig a hat nemesgázt!

Kattints egy elemre, és nézd meg a rendszámát, atomszerkezetét, forráspontját és jellemzőit. Figyeld, hogyan változnak az adatok a csoportban lefelé haladva!

A nemesgázok különleges viselkedésének egyetlen oka az elektronszerkezetük. A legkülső elektronhéjuk (vegyértékhéjuk) teljesen telített:

Miért nem reagálnak (szinte) semmivel?

• A telített héj miatt nincs energianyereség abból, ha elektront vennének fel vagy adnának le — a teljes héj felbontása energetikailag kedvezőtlen.
• Ionizációs energiájuk a periódusban a legnagyobb (nehéz elektront leszakítani róluk), elektronaffinitásuk pedig gyakorlatilag nulla vagy pozitív (nem „akarnak" elektront felvenni).
• Mivel nem hajlamosak kötés kialakítására, atomjaik nem kapcsolódnak össze molekulává — ezért egyatomos gázként léteznek (szemben pl. a kétatomos H₂, O₂, N₂ molekulákkal).

A nemesgázok atomjai között csak a leggyengébb másodrendű kötés, a diszperziós (London-féle) kölcsönhatás hat. Ez magyarázza szinte minden fizikai tulajdonságukat.

Halmazállapot és színek

• Szobahőmérsékleten mind színtelen, szagtalan, íztelen gázok.
• Egyatomosak — a halmazt különálló atomok alkotják, nem molekulák.
• Mérgező hatásuk nincs (kivéve a radioaktív radont); azonban nagy mennyiségben fulladást okozhatnak, mert kiszorítják a levegő oxigénjét.

Olvadás- és forráspont

Mivel a diszperziós kötés rendkívül gyenge, a nemesgázok olvadás- és forráspontja az összes elem közül a legalacsonyabbak közé tartozik — emiatt nehéz őket cseppfolyósítani. A csoportban lefelé haladva azonban emelkednek:

• A nagyobb rendszámú atomban több az elektron, és az elektronfelhő könnyebben polarizálható → erősebb diszperziós kötés → magasabb olvadás- és forráspont.
• A hélium forráspontja az összes anyagé közül a legalacsonyabb (kb. −269 °C, azaz csak 4 K-nel a 0 K fölött).
• Az olvadás- és a forráspontjuk között csak néhány foknyi a különbség — ezért csak nagyon szűk hőmérséklet-tartományban léteznek folyadékként.

*A hélium normál (légköri) nyomáson nem fagy meg — szilárddá csak magas nyomás alatt, igen alacsony hőmérsékleten tehető. A radon legstabilabb izotópjának tömegszáma 222 (zárójelben, mert radioaktív elem).

Sűrűség és oldhatóság

• A nemesgázok sűrűsége az atomtömeggel együtt nő: a hélium sokkal könnyebb a levegőnél (ezért emelkedik a héliumos lufi), a xenon és a radon viszont nehezebb nála.
• Vízben rosszul oldódnak (apoláris atomok, csak gyenge kölcsönhatás), szerves oldószerekben valamivel jobban.

Sokáig azt hitték, hogy a nemesgázok egyáltalán nem képesek vegyületet alkotni — innen a régi „inert gázok" elnevezés. Ma már tudjuk, hogy ez a teljes közömbösség a nehezebb tagokra nem érvényes.

Miért éppen a nehéz tagok reagálnak?

• A nagyobb atomokban a külső elektronok távolabb vannak a magtól, így gyengébben kötöttek (kisebb az ionizációs energia).
• Ezért a xenon és a kripton a legerősebb oxidálószerekkel — elsősorban a fluorral — kényszerített körülmények között már reakcióba vihető. A radon is reaktív, de erős radioaktivitása miatt nehéz vizsgálni.
• Az első nemesgázvegyületet Neil Bartlett állította elő 1962-ben (xenon-hexafluoro-platinát) — ez döntötte meg a teljes közömbösség dogmáját.

A legfontosabb xenon-fluoridok

A xenon a fluorral közvetlen egyesüléssel (megfelelő hőmérséklet és nyomás, a fluorfelesleg arányától függően) háromféle fluoridot alkot:

Ezek a vegyületek szilárdak, és erős oxidáló- és fluorozószerek. A xenon-fluoridok vízzel reagálva oxigéntartalmú vegyületek (pl. XeO₃, xenon-trioxid) is keletkezhetnek. A xenon vízzel klatrátot (zárványvegyületet, kb. Xe·6H₂O összetétellel) is képez. A kripton főként a kripton-difluoridot (KrF₂) alkotja, amely kevésbé stabil.

Próbáld ki: a xenon-fluorid „szintézis"

Állítsd be, hány mól fluort engedünk a xenonra, és nézd meg, melyik fluorid keletkezik (rendezett egyenlettel)!

Mivel kémiailag közömbösek, a nemesgázok a természetben vegyületek formájában nem fordulnak elő — mindig elemi (szabad) állapotban találhatók.

A Föld légkörében

A levegő mintegy 1 térfogatszázalékát nemesgázok teszik ki, túlnyomó részben argon. A levegő nemesgáz-tartalma (csökkenő mennyiség szerint): argon ≫ neon > hélium > kripton > xenon.

A ppm (parts per million) milliomod részt jelent: 1 ppm = 0,0001 térfogat%.

A világűrben és a Földön

• A hélium a világegyetem második leggyakoribb eleme (a hidrogén után) — a csillagokban a hidrogén magfúziójából keletkezik. A Földön a hélium kőolaj- és földgáz-mezőkben dúsul fel, ahol radioaktív bomlásból (α-bomlásból) származó héliummagok gyűlnek össze.
• A radon a természetben radioaktív elemek (urán, tórium, rádium) bomlási sorából keletkezik, és kőzetekből, talajból szivároghat fel.

A nemesgázokat (a hélium kivételével, amelyet főleg földgázból nyernek) a levegőből állítják elő — kihasználva, hogy mindegyiknek más a forráspontja.

• A héliumot elsősorban héliumban dús földgázból nyerik (cseppfolyósítással és szétválasztással), mert a levegőből gazdaságtalan volna kinyerni az alacsony koncentráció miatt.
• A xenon-fluoridokat a tiszta xenonból, fluorral, közvetlen szintézissel állítják elő (lásd a 4. szakaszt).

A nemesgázok haszna szinte mindig a kémiai közömbösségükből vagy egyedi fizikai sajátságukból (kis sűrűség, fénykibocsátás kisüléskor) fakad. Kattints egy nemesgázra, és nézd meg, hol használjuk!

A legfontosabb alkalmazások

• Hélium: léggömbök, léghajók töltése (kis sűrűség, és — a hidrogénnel ellentétben — nem gyúlékony); búvárkodásnál heliox (hélium–oxigén) légzőelegy, mert a hélium — a nitrogénnel ellentétben — nem okoz mélységi mámort (nitrogénnarkózist), és kis sűrűsége megkönnyíti a légzést a mélyben; kriogén (nagyon alacsony hőmérsékletű) hűtés (pl. szupravezető mágnesek, MRI); vivőgáz a gázkromatográfiában. (A belélegzett hélium megemeli a hang magasságát, mert benne a hangsebesség nagyobb.)
• Neon: fényreklámok, „neoncsövek" — a gázon átfolyó elektromos kisülés vörös-narancs fényt ad. (A más színű csövekben más gázok/bevonatok vannak.)
• Argon: védőgáz (inert atmoszféra) az ívhegesztésnél és reakcióknál; izzólámpák töltőgáza (mivel közömbös, lassítja a volfrámszál párolgását, így nem lép vele reakcióba, és tovább tart a szál); fénycsövekben is.
• Kripton: nagy fényhasznosítású izzólámpák töltőgáza (lásd Bródy Imre), fénycsövek, egyes nagy teljesítményű fényforrások.
• Xenon: nagy fényerejű ívlámpák, autó-xenonfényszórók, vakulámpák (vaku); excimer- és gázlézerek; orvosi képalkotás és (altató hatású) gázként a kutatásban.
• Radon: radioaktivitása miatt korlátozott; egyes gyógyvizekben fordul elő, korábban sugárterápiás célokra is használták — ma elsősorban egészségügyi kockázatként tartjuk számon.

A nemesgázok jelentősége túlmutat saját családjukon: a teljes kémia egyik alapelve köré szerveződnek.