Jaki jest najcięższy gaz szlachetny?

Gazy szlachetne tworzą 18 grupę pierwiastków układu okresowego pierwiastków (dawniej grupa VIII-A). Elementy te charakteryzują się posiadaniem konfiguracji elektronowej wypełnionej powłoką, w której ostatni poziom energii ma całkowicie wypełnione orbitale syp. Ta konfiguracja elektronowa jest szczególnie stabilna, dlatego elementy te nie muszą tworzyć wiązań chemicznych, aby dzielić elektrony w poszukiwaniu większej stabilności. W rzeczywistości większość reakcji chemicznych zachodzących w innych pierwiastkach układu okresowego polega na otoczeniu się tymi samymi 8 elektronami, które otaczają gazy szlachetne. Jest to znane jako reguła oktetu.

Przez sam fakt, że są tak stabilne, pierwiastki z grupy 18 są również wyjątkowo obojętne i nie łączą się praktycznie z żadnym innym pierwiastkiem. Co więcej, pierwiastki te nie mają nawet tendencji do wiązania się ze sobą, a jedyne interakcje, jakie zachodzą między dwoma atomami, to słabe siły dyspersji Londona. Z tego powodu pierwiastki te mają bardzo niskie temperatury wrzenia i generalnie są w stanie gazowym w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia. Obie właściwości fizykochemiczne sprawiły, że pierwiastki te zyskały miano gazów szlachetnych.

Krótko mówiąc, to, co sprawia, że ​​gazy szlachetne są gazami szlachetnymi, to fakt, że znajdują się one w stanie gazowym i są chemicznie obojętne. Jest to ważny punkt przy określaniu, który gaz szlachetny jest cięższy.

Co to znaczy być najcięższym gazem szlachetnym?

Najpierw zdefiniujmy, co rozumiemy przez „najcięższy gaz szlachetny”. Kwalifikator ten może mieć właściwie jedną z dwóch interpretacji: z jednej strony może odnosić się do pierwiastka gazowego o największej masie atomowej. Z drugiej strony moglibyśmy odnieść się do gęstszego gazu.

Chociaż gęstość jest proporcjonalna do masy molowej gazu, a masa molowa gazów rośnie wraz ze wzrostem grupy w układzie okresowym, odpowiedź na pytanie, który gaz jest cięższy, nie jest tak prosta, jak przewinięcie listy w dół do ostatni element w grupie.

W rzeczywistości jest dwóch kandydatów na najcięższy gaz szlachetny i żaden z nich nie jest ostatnim pierwiastkiem w grupie.

Ogan nie jest najcięższym gazem szlachetnym.

Jak wspomnieliśmy przed chwilą, wbrew początkowej intuicji, najcięższym gazem szlachetnym nie jest ostatni członek grupy, czyli oganezon, symbol chemiczny Og. Wynika to z kilku powodów. Zacznijmy od tego, że oganezon jest syntetycznym pierwiastkiem transaktynidowym, co oznacza, że ​​ten pierwiastek nie występuje w naturze, ale został zsyntetyzowany w akceleratorze cząstek poprzez syntezę jądrową.

Problem z oganesonem i główny powód, dla którego nie możemy nadać mu tytułu najcięższego gazu szlachetnego, polega na tym, że ma on bardzo krótki czas życia; mniej niż 1 ms. Ponadto elementy syntetyczne są produkowane w bardzo małych ilościach. Z obu powodów prawie niemożliwe jest zgromadzenie wystarczającej liczby atomów oganezonu przez wystarczająco długi czas, aby zmierzyć jego właściwości fizykochemiczne. W związku z tym nic nie wiadomo na pewno o stanie fizycznym tego pierwiastka w normalnej temperaturze i ciśnieniu.

W rzeczywistości szacuje się, że gdyby trwało to wystarczająco długo, pierwiastek ten byłby ciałem stałym w temperaturze pokojowej. To samo w sobie dyskwalifikuje go jako najcięższy „gaz szlachetny”, mimo że jest najcięższym pierwiastkiem znanym człowiekowi.

Z drugiej strony przeprowadzono również wiele obliczeń teoretycznych struktury elektronicznej, jaką miałby ten element, a wyniki są naprawdę nieoczekiwane. Przypuszcza się, że duży ładunek jądrowy przyspieszyłby elektrony do prędkości bliskiej prędkości światła, powodując, że zachowują się one zupełnie inaczej niż inne znane pierwiastki. Najwyraźniejszą konsekwencją tego jest to, że tak naprawdę nie wiemy nawet, czy miałby takie same bezwładne cechy, jak inni członkowie grupy.

W pewnych warunkach ksenon może zabrać trofeum

Ponieważ gazy, zwłaszcza gazy szlachetne, zachowują się jak gazy doskonałe w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia, łatwo można uzyskać zależność między gęstością a masą molową gazu. Ta zależność jest dana przez:

gdzie ρ to gęstość gazu w g/l, P to ciśnienie w atmosferach, T to temperatura bezwzględna, R to stała gazu doskonałego, a MM to masa molowa gazu. Jak widać, gęstość jest wprost proporcjonalna do masy molowej. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że wszystkie gazy szlachetne występują w postaci pierwiastków jednoatomowych, najgęstszym pierwiastkiem powinien być radon.

Jednak w pewnych bardzo szczególnych warunkach (stosowanie wyładowań elektrycznych na naddźwiękowym strumieniu gazowego ksenonu) możliwe jest przekształcenie ksenonu w zjonizowane dimery lub w dwuatomowe jony cząsteczkowe o wzorze Xe ₂ ⁺ . Ten nowy gaz miałby masę molową 263 g/mol, czyli większą niż masa molowa radonu, która wynosi 222 g/mol. Mając wyższą masę molową, ta gazowa forma Xe byłaby gęstsza niż gazowy radon, kradnąc w ten sposób koronę.

Byłoby to jednak wysoce spekulatywne, ponieważ warunki, w których powstają dimery, są trudne do utrzymania, więc gatunki molekularne trwają bardzo krótko.

Najcięższym gazem szlachetnym jest radon (Rn)

Biorąc pod uwagę powyższe argumenty, dochodzimy do wniosku, że najcięższym gazem szlachetnym jest radon. Ten pierwiastek jest gazem obojętnym, bezbarwnym i bezwonnym, który jest również radioaktywny.

Ze wszystkich pierwiastków z grupy 18 radon ma największą masę atomową (222 u) i oprócz dyskusyjnego wyjątku Xe ₂ jest także najgęstszym z gazów szlachetnych, o gęstości 9,074 g/l w temperaturze 25°C i pod ciśnieniem 1 atm.

Bibliografia

Dubé, P. (1991, 1 grudnia). Naddźwiękowe chłodzenie ekscymerów gazów rzadkich wzbudzonych w wyładowaniach prądu stałego . Optyczna Grupa Wydawnicza. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-16-23-1887

Jerabek, P. (2018, 31 stycznia). Funkcje lokalizacji elektronów i nukleonów Oganessona: zbliżanie się do granicy Thomasa-Fermiego . Physical Review Letters 120, 053001. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.053001

Lomaev, MI, Tarasenko, V. i Schitz, D. (2006, czerwiec). Excilamp ksenonowy z dimerem o dużej mocy . Listy z fizyki technicznej 32 (6): 495–497. https://www.researchgate.net/publication/243533559_A_high-power_xenon_dimer_excilamp

Narodowy Instytut Standardów i Technologii. (2021). Ściemnianie ksenonowe . NIST. https://webbook.nist.gov/cgi/inchi/InChI%3D1S/Xe2/c1-2

Oganessian, YT i Rykaczewski, KP (2015). Przyczółek na wyspie stabilności. Fizyka dzisiaj 68, 8, 32. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2880