Кой е най-тежкият благороден газ?

Благородните газове съставляват група 18 от елементи на периодичната таблица (бивша група VIII-A). Тези елементи се характеризират с електронна конфигурация, изпълнена с обвивка, в която последното енергийно ниво има своите syp орбитали напълно запълнени. Тази електронна конфигурация е особено стабилна, поради което тези елементи нямат нужда да образуват химически връзки, за да споделят електрони, търсейки повече стабилност. Всъщност повечето химични реакции, на които преминават другите елементи от периодичната таблица, правят това, за да се обградят със същите 8 електрона, които обграждат благородните газове. Това е известно като октетно правило.

Поради факта, че са толкова стабилни, елементите от група 18 също са изключително инертни и не се комбинират с почти никакви други елементи. Освен това, тези елементи дори нямат склонност да се свързват един с друг и единствените взаимодействия, които възникват между два атома, са слабите дисперсионни сили на Лондон. Поради тази причина тези елементи имат много ниски точки на кипене и обикновено са в газообразно състояние при нормални условия на температура и налягане. И двете физикохимични характеристики са спечелили на тези елементи името благородни газове.

Накратко, това, което прави благородните газове благородни газове, е, че те са в газообразно състояние и че са химически инертни. Това е важен момент при определяне кой е по-тежкият благороден газ.

Какво означава да си най-тежкият благороден газ?

Нека първо дефинираме какво имаме предвид под „най-тежкия благороден газ“. Този квалификатор всъщност може да има една от двете интерпретации: от една страна, той може да се отнася до газообразния елемент с най-голямо атомно тегло. От друга страна, можем да говорим за по-плътния газ.

Въпреки че плътността е пропорционална на моларната маса на газа и моларната маса на газовете се увеличава, докато слизате в група на периодичната таблица, отговорът на въпроса кой газ е по-тежък не е толкова прост, колкото превъртането надолу в списъка до последния елемент в групата.

Всъщност има двама кандидати за най-тежкия благороден газ и нито един от тях не е последният елемент в групата.

Оганезата не е най-тежкият благороден газ.

Както споменахме преди малко, противно на първоначалната интуиция, най-тежкият благороден газ не е последният член на групата, тоест оганезон, химически символ Og. Това се дължи на няколко причини. Като начало, оганезон е синтетичен трансактиниден елемент, което означава, че този елемент не съществува в природата, а е синтезиран в ускорител на частици чрез ядрен синтез.

Проблемът с оганезон и основната причина да не можем да му дадем титлата най-тежкия благороден газ е, че има много кратък живот; по-малко от 1ms. Освен това синтетичните елементи се произвеждат в изключително малки количества. И поради двете причини е почти невъзможно да се натрупат достатъчно атоми оганезон за достатъчно дълго време, за да се измерят неговите физикохимични свойства. Следователно нищо не се знае със сигурност за физическото състояние на този елемент при нормална температура и налягане.

Всъщност, изчислено е, че ако продължи достатъчно дълго, този елемент ще бъде твърд при стайна температура. Това само по себе си го дисквалифицира като най-тежкия „благороден газ“, въпреки че е най-тежкият елемент, познат на човека.

От друга страна, множество теоретични изчисления също са извършени върху електронната структура, която този елемент би имал и резултатите са наистина неочаквани. Хипотезата е, че големият ядрен заряд би ускорил електроните почти до скоростта на светлината, карайки ги да се държат много различно от други известни елементи. Най-ясната последица от това е, че всъщност дори не знаем дали ще има същите инертни характеристики като другите членове на групата.

При определени условия ксенонът може да вземе трофея

Тъй като газовете, особено благородните газове, се държат като идеални газове при нормални условия на температура и налягане, лесно може да се получи връзка между плътността и моларната маса на газа. Тази връзка се дава от:

където ρ е плътността на газа в g/L, P е налягането в атмосфери, T е абсолютната температура, R е идеалната газова константа и MM е моларната маса на газа. Както можете да видите, плътността е право пропорционална на моларната маса. Ако считаме, че всички благородни газове са под формата на едноатомни елементи, най-плътният елемент трябва да бъде радонът.

Въпреки това, при определени много специални условия (прилагане на електрически разряди върху свръхзвукова струя газообразен ксенон), е възможно да се превърне ксенонът в йонизирани димери или в двуатомни молекулни йони с формулата Xe ₂ ⁺ . Този нов газ ще има моларна маса от 263 g/mol, което е по-голямо от моларната маса на радона, която е 222 g/mol. Имайки по-висока моларна маса, тази газообразна форма на Xe би била по-плътна от газообразния радон, като по този начин открадва короната.

Това обаче би било много спекулативно, тъй като условията, при които се образуват димерите, са трудни за поддържане, поради което молекулярните видове продължават много кратко време.

Най-тежкият благороден газ е радон (Rn)

Имайки предвид горните аргументи, заключаваме, че най-тежкият благороден газ е радонът. Този елемент е инертен газ без цвят и мирис, който също е радиоактивен.

От всички елементи в група 18, радонът има най-високото атомно тегло (222 u) и, освен спорното изключение на Xe ₂ , също е най-плътният от благородните газове, с плътност от 9,074 g/L при температура от 25 °C и налягане 1 atm.

Препратки

Dubé, P. (1991, 1 декември). Свръхзвуково охлаждане на ексимери на инертни газове, възбудени в постояннотокови разряди . Оптична издателска група. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-16-23-1887

Jerabek, P. (2018, 31 януари). Функции за локализиране на електрони и нуклони на Оганесон: Приближаване до границата на Томас-Ферми . Physical Review Letters 120, 053001. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.053001

Ломаев, М. И., Тарасенко, В. и Шиц, Д. (2006 г., юни). Високомощна ксенонова димерна ексилампа . Писма по техническа физика 32 (6): 495–497. https://www.researchgate.net/publication/243533559_A_high-power_xenon_dimer_excilamp

Национален институт по стандарти и технологии. (2021 г.). Ксенон затъмняване . NIST. https://webbook.nist.gov/cgi/inchi/InChI%3D1S/Xe2/c1-2

Oganessian, YT, & Rykaczewski, KP (2015). Плаж на острова на стабилността. Physics Today 68, 8, 32. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2880