الغازات النبيلة: الخصائص والتكوين والتفاعلات والاستخدامات - كيمياء - 2025

و الغازات النبيلة هي مجموعة من العناصر التي وجدت من خلال دمج مجموعة 18 من الجدول الدوري. على مر السنين تم تسميتها أيضًا بالغازات النادرة أو الخاملة ، وكلاهما اسمان غير دقيق ؛ بعضها موجود بكثرة خارج كوكب الأرض وداخله ، كما أنها قادرة ، في ظل الظروف القاسية ، على الاستجابة.

ربما تشكل عناصره السبعة المجموعة الأكثر تميزًا في الجدول الدوري ، والتي تعد خصائصها ونشاطها المنخفض مثيرًا للإعجاب مثل خصائص المعادن النبيلة. من بينها موكب العنصر الأكثر خمولًا (النيون) ، وثاني أكثر العناصر وفرة (الهليوم) ، والأثقل والأكثر استقرارًا (الأوغانيسون).

وهج خمسة من الغازات النبيلة في قوارير زجاجية أو أمبولات. المصدر: New work Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew.de) ؛ الصور الفردية الأصلية: Jurii ،

الغازات النبيلة هي أبرد المواد في الطبيعة. يتحمل درجات حرارة منخفضة جدًا قبل التكثيف. والأكثر صعوبة هو تجميدها ، لأن قوى الجزيئات القائمة على تشتت لندن ، واستقطاب ذراتها ، أضعف من أن تحافظ على تماسكها في بلورة.

نظرًا لقلة تفاعلها ، فهي غازات آمنة نسبيًا لتخزينها ولا تشكل الكثير من المخاطر. ومع ذلك ، يمكنهم إزاحة الأكسجين من الرئتين والتسبب في الاختناق إذا تم استنشاقهم بشكل مفرط. من ناحية أخرى ، فإن اثنين من أعضائها عبارة عن عناصر مشعة للغاية وبالتالي فهي مميتة للصحة.

كما تُستخدم الفعالية المنخفضة للغازات النبيلة لتوفير تفاعلات مع جو خامل ؛ بحيث لا يتعرض أي كاشف أو منتج لخطر التأكسد والتأثير على أداء التخليق. هذا أيضا يفضل عمليات اللحام بالقوس الكهربائي.

من ناحية أخرى ، في حالتها السائلة ، فهي عبارة عن مبردات مبردة ممتازة تضمن أدنى درجات الحرارة ، وهي ضرورية للتشغيل الصحيح للمعدات عالية الطاقة ، أو لبعض المواد للوصول إلى حالات الموصلية الفائقة.

خصائص الغازات النبيلة

على اليمين (مظلل باللون البرتقالي) توجد مجموعة الغازات النبيلة. من الأعلى إلى الأسفل: الهيليوم (He) ، النيون (Ne) ، الأرجون (Ar) ، الكريبتون (Kr) ، الزينون (Xe) والرادون (Rn).

ربما تكون الغازات النبيلة هي العناصر التي تشترك في معظم الصفات ، الفيزيائية والكيميائية. خصائصه الرئيسية هي:

- كل منهم عديم اللون والرائحة والمذاق. ولكن عندما يتم وضعها في أمبولات تحت ضغط منخفض ، وتتلقى تفريغًا كهربائيًا ، فإنها تتأين وتصدر أضواء ملونة (الصورة العلوية).

- كل غاز نبيل له ضوءه وطيفه الخاص.

- إنها أنواع أحادية الذرة ، هي الوحيدة في الجدول الدوري التي يمكن أن توجد في حالتها الفيزيائية الخاصة دون مشاركة الروابط الكيميائية (حيث يتم ربط المعادن عن طريق الروابط المعدنية). لذلك ، فهي مثالية لدراسة خصائص الغازات ، لأنها تتكيف جيدًا مع النموذج الكروي للغاز المثالي.

- وهي بشكل عام العناصر ذات أقل درجة انصهار وغليان ؛ لدرجة أن الهيليوم لا يمكن أن يتبلور عند الصفر المطلق دون زيادة في الضغط.

- من بين جميع العناصر فهي الأقل تفاعلاً ، حتى أقل من المعادن النبيلة.

- طاقات التأين الخاصة بهم هي الأعلى ، وكذلك كهرسلبيتهم ، بافتراض أنهم يشكلون روابط تساهمية بحتة.

- أنصاف أقطارها الذرية هي أيضًا الأصغر لأنها تقع في أقصى يمين كل فترة.

الغازات السبع النبيلة

الغازات النبيلة السبعة ، من أعلى إلى أسفل ، تنحدر عبر المجموعة 18 في الجدول الدوري:

هيليو ، هو

-نيون ، ني

- أرجون ، أر

-كريبتون ، كر

-زينون ، Xe

رادون ، آكانيوز

-Oganeson ، Og

تمت دراسة كل منهم ، باستثناء الأوغانيسون غير المستقر والاصطناعي ، لخصائصها الفيزيائية والكيميائية. يُعتقد أن Oganeson ، نظرًا لكتلتها الذرية الكبيرة ، ليس غازًا ، بل هو سائل أو صلب نبيل. لا يُعرف الكثير عن الرادون ، بسبب نشاطه الإشعاعي ، نسبة إلى الهيليوم أو الأرجون.

التكوين الإلكترونية

يقال إن الغازات النبيلة تمتلئ بالكامل بقذيفة التكافؤ. لدرجة أن تكويناتها الإلكترونية تُستخدم لتبسيط العناصر الأخرى باستخدام رموزها الموضوعة بين قوسين (، ، ، إلخ). تكويناته الإلكترونية هي:

- الهيليوم: 1s ² ، (2 إلكترون)

-نيون: 1s ² 2s ² 2p ⁶ ، (10 إلكترونات)

- الأرجون: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ ، (18 إلكترونًا)

-الكريبتون: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ ، (36 إلكترونًا)

-زينون: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶ ، (54 إلكتروناً)

-Radon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 4f ¹⁴ 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰ 6s ² 6p ⁶ ، (86 إلكترون)

الشيء المهم هو عدم تذكرها ، ولكن بالتفصيل أنها تنتهي بـ ns ² np ⁶: ثماني بتات التكافؤ. وبالمثل ، من المعروف أن ذراتها تحتوي على العديد من الإلكترونات ، والتي نظرًا للقوة النووية المؤثرة الكبيرة تكون في حجم أصغر مقارنةً بالعناصر الأخرى ؛ أي أن أنصاف أقطارها الذرية أصغر.

لذلك ، فإن أنصاف أقطارها الذرية الكثيفة إلكترونيًا تظهر خاصية كيميائية تشترك فيها جميع الغازات النبيلة: يصعب استقطابها.

الاستقطاب

يمكن تخيل الغازات النبيلة على أنها كرات من السحب الإلكترونية. أثناء النزول خلال المجموعة 18 ، يزداد نصف قطرها ، وبنفس الطريقة المسافة التي تفصل بين النواة وإلكترونات التكافؤ (تلك الخاصة بـ ns ² np ⁶).

تشعر هذه الإلكترونات بقوة أقل جاذبية من قبل النواة ، ويمكنها أن تتحرك بحرية أكبر ؛ تتشوه الكرات بسهولة أكبر كلما كانت أكبر. نتيجة لمثل هذه الحركات ، تظهر مناطق ذات كثافة إلكترون منخفضة وعالية: القطبين δ + و-.

عندما تكون ذرة الغاز النبيل مستقطبة ، فإنها تتحول إلى ثنائي أقطاب فوري قادر على حث ذرة أخرى على الذرة المجاورة ؛ وهذا يعني أننا أمام قوى التشتيت في لندن.

هذا هو سبب زيادة القوى بين الجزيئات من الهيليوم إلى الرادون ، وهو ما ينعكس في زيادة نقاط غليانها ؛ وليس ذلك فحسب ، بل يتم زيادة نشاطهم أيضًا.

عندما تصبح الذرات أكثر استقطابًا ، تزداد احتمالية مشاركة إلكترونات التكافؤ في تفاعلات كيميائية ، وبعد ذلك يتم إنشاء مركبات الغازات النبيلة.

تفاعلات

الهيليوم والنيون

من بين الغازات النبيلة ، أقلها تفاعلًا هي الهيليوم والنيون. في الواقع ، النيون هو العنصر الأكثر خمولًا على الإطلاق ، على الرغم من أن كهرسلبيته (من تكوين الروابط التساهمية) تتجاوز الفلور.

لا يُعرف أي من مركباته تحت الظروف الأرضية ؛ ومع ذلك ، في الكون ، من المحتمل جدًا وجود أيون جزيئي HeH ⁺. وبالمثل ، عندما تكون متحمسًا إلكترونيًا ، فإنها تكون قادرة على التفاعل مع الذرات الغازية وتشكيل جزيئات محايدة قصيرة العمر تسمى الإكسيمرات ؛ مثل HeNe و CsNe و Ne ₂.

من ناحية أخرى ، على الرغم من أنها لا تعتبر مركبات بالمعنى الرسمي ، إلا أن ذرات He و Ne يمكن أن تؤدي إلى ظهور جزيئات Van der Walls ؛ أي المركبات التي يتم تجميعها "معًا" ببساطة بواسطة قوى التشتت. على سبيل المثال: Ag ₃ He و HeCO و HeI ₂ و CF ₄ Ne و Ne ₃ Cl ₂ و NeBeCO ₃.

وبالمثل ، يمكن أن توجد جزيئات Van der Walls بفضل تفاعلات ثنائية القطب الضعيفة المستحثة بالأيونات ؛ على سبيل المثال: Na ⁺ He ₈ و Rb ⁺ He و Cu ⁺ Ne ₃ و Cu ⁺ Ne ₁₂. لاحظ أنه من الممكن حتى أن تصبح هذه الجزيئات تكتلات من الذرات: عناقيد.

وأخيرًا ، يمكن "حبس" ذرات هي ونيو أو إقحامها في معقدات إندوهيدرالية من الفوليرينات أو الكلثرات ، دون أن تتفاعل ؛ على سبيل المثال: ₆₀ ، (N ₂) ₆ Ne ₇ ، He (H ₂ O) ₆ و Ne • NH ₄ Fe (HCOO) ₃.

الأرجون والكريبتون

تميل الغازات النبيلة ، الأرجون والكريبتون ، لأنهما أكثر قابلية للاستقطاب ، إلى تقديم "مركبات" أكثر من الهيليوم والنيون. ومع ذلك ، فإن جزءًا منها أكثر استقرارًا وتميزًا ، حيث تتمتع بعمر أطول. ومن بينها HArF والأيون الجزيئي ArH ⁺ الموجود في السدم بفعل الأشعة الكونية.

من الكريبتون تبدأ إمكانية الحصول على مركبات في ظروف قاسية ولكن مستدامة. يتفاعل هذا الغاز مع الفلور وفقًا للمعادلة الكيميائية التالية:

Kr + F ₂ → KrF ₂

لاحظ أن الكريبتون يكتسب عدد أكسدة +2 (Kr ²⁺) بفضل الفلور. يمكن في الواقع تصنيع KrF ₂ بكميات قابلة للتسويق كعامل مؤكسد وفلور.

يمكن للأرجون والكريبتون إنشاء ذخيرة واسعة من clathrates ، ومجمعات إندوهيدرال ، وجزيئات Van der Walls ، وبعض المركبات التي تنتظر الاكتشاف بعد وجودها المتوقع.

زينون وغاز الرادون

زينون هو ملك التفاعل بين الغازات النبيلة. إنها تشكل المركبات المستقرة حقًا والقابلة للتسويق والمميزة. في الواقع ، تفاعله يشبه تفاعل الأكسجين في ظل الظروف المناسبة.

كان أول مركب مركب له هو "XePtF ₆ " ، في عام 1962 بواسطة نيل بارتليت. هذا الملح في الواقع ، وفقًا للأدبيات ، يتكون من خليط معقد من أملاح مفلورة أخرى من الزينون والبلاتين.

ومع ذلك ، كان هذا أكثر من كافٍ لإثبات التقارب بين الزينون والفلور. من بين بعض هذه المركبات لدينا: XeF ₂ و XeF ₄ و XeF ₆ و ^{+ -}. عندما يذوب XeF ₆ في الماء ، فإنه يولد أكسيدًا:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

هذا XEO ₃ يمكن أن تنشأ الأنواع المعروفة باسم xenatos (HXeO ₄ ^-) أو حامض xenic (H ₂ XEO ₄). Xenates غير متناسب مع بيركسينات (XeO ₆ ^4-) ؛ وإذا تم تحمض الوسط بعد ذلك ، في حمض البيروكسينيك (H ₄ XeO ₆) ، والذي يتم تجفيفه إلى رباعي أكسيد الزينون (XeO ₄):

H ₄ XeO ₆ → 2 H ₂ O + XeO ₄

يجب أن يكون الرادون هو أكثر الغازات النبيلة تفاعلًا ؛ لكنها مشعة جدًا لدرجة أنه لا يوجد لديها وقت للرد قبل أن تتفكك المركبات الوحيدة التي تم تصنيعها بالكامل هي الفلوريد (RnF ₂) وأكسيد (RnO ₃).

إنتاج

تسييل الهواء

تزداد وفرة الغازات النبيلة في الكون مع نزولنا عبر المجموعة 18. ومع ذلك ، في الغلاف الجوي ، يكون الهيليوم نادرًا ، لأن مجال الجاذبية للأرض لا يمكنه الاحتفاظ به ، على عكس الغازات الأخرى. لهذا لم يتم اكتشافه في الهواء بل في الشمس.

من ناحية أخرى ، توجد في الهواء كميات ملحوظة من الأرجون ، قادمة من التحلل الإشعاعي للنظائر المشعة ⁴⁰ K. الهواء هو أهم مصدر طبيعي للأرجون والنيون والكريبتون والزينون على هذا الكوكب.

لإنتاجها ، يجب أولاً تسييل الهواء حتى يتكثف في سائل. بعد ذلك ، يخضع هذا السائل لعملية التقطير الجزئي ، وبالتالي فصل كل مكون من مكونات خليطه (N ₂ ، O ₂ ، CO ₂ ، Ar ، إلخ).

اعتمادًا على مدى انخفاض درجة الحرارة ووفرة الغاز ، تزداد أسعاره ، مما يجعل الزينون هو الأغلى ثمناً ، بينما الهيليوم هو الأرخص.

تقطير الغاز الطبيعي والمعادن المشعة

يتم الحصول على الهيليوم من جانبه من التقطير الجزئي آخر ؛ ولكن ليس من الهواء ، ولكن من الغاز الطبيعي المخصب بالهيليوم بفضل إطلاق جسيمات ألفا من معادن الثوريوم واليورانيوم المشعة.

وبالمثل ، فإن الرادون "يولد" من الانحلال الإشعاعي للراديوم في المعادن الخاصة به ؛ ولكن بسبب وفرتها المنخفضة ، وقصر عمر نصف ذرات Rn ، فإن وفرتها تعتبر هزيلة مقارنة بمثيلاتها (الغازات النبيلة الأخرى).

وأخيرًا ، فإن الأوغانيسون هو "غاز" نبيل شديد النشاط الإشعاعي وفائق الكتلة ومن صنع الإنسان لا يمكن أن يوجد إلا لفترة وجيزة في ظل ظروف خاضعة للرقابة داخل المختبر.

الأخطار

تتمثل المخاطر الرئيسية للغازات النبيلة في أنها تحد من استخدام الإنسان للأكسجين ، خاصةً عندما يتم إنتاج جو به تركيز عالٍ منها. لهذا السبب لا ينصح باستنشاقها بشكل مفرط.

في الولايات المتحدة ، تم الكشف عن تركيز عالٍ من الرادون في تربة غنية باليورانيوم ، والتي يمكن أن تشكل خطرًا على الصحة بسبب خصائصها الإشعاعية.

التطبيقات

صناعة

يستخدم الهيليوم والأرجون لخلق جو خامل للحماية أثناء اللحام والقطع. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامها في تصنيع أشباه الموصلات السيليكونية. يستخدم الهيليوم كغاز تعبئة في موازين الحرارة.

يستخدم الأرجون مع النيتروجين في صناعة المصابيح المتوهجة. الكريبتون الممزوج بالهالوجينات ، مثل البروم واليود ، يستخدم في مصابيح التفريغ. يستخدم النيون في الإشارات الضوئية ، ممزوجًا بالفوسفور والغازات الأخرى لتلوين لونه الأحمر.

يستخدم Xenon في المصابيح القوسية التي تصدر ضوءًا يشبه ضوء النهار ، والذي يستخدم في المصابيح الأمامية للسيارات وأجهزة العرض. يتم خلط الغازات النبيلة مع الهالوجينات لإنتاج ArF أو KrF أو XeCl ، والتي تستخدم في إنتاج ليزر الإكسيمر.

ينتج هذا النوع من الليزر ضوءًا فوق بنفسجي قصير الموجة ينتج صورًا عالية الدقة ويستخدم في تصنيع الدوائر المتكاملة. يستخدم الهيليوم والنيون كغازات مبردة.

البالونات وخزانات التنفس

يستخدم الهيليوم كبديل للنيتروجين في خليط الغازات التنفسية ، وذلك بسبب قلة ذوبانه في الجسم. هذا يمنع تكون الفقاعات خلال مرحلة فك الضغط أثناء الصعود ، بالإضافة إلى القضاء على تخدير النيتروجين.

حل الهيليوم محل الهيدروجين كغاز يسمح برفع المناطيد وبالونات الهواء الساخن ، لأنه غاز خفيف وغير قابل للاحتراق.

الدواء

يستخدم الهيليوم في تصنيع المغناطيسات فائقة التوصيل المستخدمة في معدات الرنين المغناطيسي النووي - وهي أداة متعددة الأغراض في الطب.

يستخدم الكريبتون في مصابيح الهالوجين المستخدمة في جراحة العيون بالليزر ورأب الوعاء. يستخدم الهيليوم لتسهيل التنفس لدى مرضى الربو.

يستخدم الزينون كمخدر بسبب قابلية ذوبانه العالية في الدهون ، ويُعتقد أنه مخدر المستقبل. يستخدم زينون أيضًا في التصوير الطبي للرئة.

يستخدم الرادون ، وهو غاز نبيل مشع ، في العلاج الإشعاعي لبعض أنواع السرطان.

الآخرين

يستخدم الأرجون في تخليق المركبات التي تحل محل النيتروجين كجواء خامل. يستخدم الهيليوم كغاز ناقل في كروماتوغرافيا الغاز ، وكذلك في عدادات جيجر لقياس الإشعاع.

المراجع

1. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
2. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء. (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
3. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (06 يونيو 2019). خصائص الغازات النبيلة واستخداماتها ومصادرها. تم الاسترجاع من: thinkco.com
4. ويكيبيديا. (2019). غاز نبيل. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
5. فيليب بول. (2012 ، 18 يناير). الكيمياء المستحيلة: إجبار الغازات النبيلة على العمل. تم الاسترجاع من: newscientist.com
6. الأستاذة باتريشيا شابلي. (2011). كيمياء الغازات النبيلة. تم الاسترجاع من: butane.chem.uiuc.edu
7. جاري جيه شروبيلجن. (28 فبراير 2019). غاز نبيل. Encyclopædia Britannica. تم الاسترجاع من: britannica.com