Care este cel mai greu gaz nobil?

Gazele nobile formează grupa 18 de elemente ale tabelului periodic (fostă grupă VIII-A). Aceste elemente sunt caracterizate prin faptul că au o configurație electronică plină de carcasă în care ultimul nivel de energie are orbitalii syp complet umpluți. Această configurație electronică este deosebit de stabilă, motiv pentru care aceste elemente nu au nevoie să formeze legături chimice pentru a împărtăși electronii care caută mai multă stabilitate. De fapt, majoritatea reacțiilor chimice pe care le suferă celelalte elemente ale tabelului periodic fac acest lucru pentru a se înconjura cu aceiași 8 electroni care înconjoară gazele nobile. Aceasta este cunoscută sub numele de regula octetului.

Prin însuși faptul că sunt atât de stabile, elementele grupului 18 sunt, de asemenea, extrem de inerte și nu se combină practic cu niciun alt element. În plus, aceste elemente nici măcar nu au tendința de a se lega între ele, iar singurele interacțiuni care apar între doi atomi sunt forțele slabe de dispersie de la Londra. Din acest motiv, aceste elemente au puncte de fierbere foarte scăzute și sunt în general în stare gazoasă în condiții normale de temperatură și presiune. Ambele caracteristici fizico-chimice au adus acestor elemente denumirea de gaze nobile.

Pe scurt, ceea ce face ca gazele nobile să fie gaze nobile este că sunt în stare gazoasă și că sunt inerte din punct de vedere chimic. Acesta este un punct important atunci când se determină care este gazul nobil mai greu.

Ce înseamnă să fii cel mai greu gaz nobil?

Să definim mai întâi ce înțelegem prin „cel mai greu gaz nobil”. Acest calificativ poate avea de fapt una dintre cele două interpretări: pe de o parte, se poate referi la elementul gazos cu cea mai mare greutate atomică. Pe de altă parte, ne-am putea referi la gazul mai dens.

Deși densitatea este proporțională cu masa molară a unui gaz, iar masa molară a gazelor crește pe măsură ce coborâți într-un grup pe tabelul periodic, răspunsul la întrebarea care gaz este mai greu nu este, acesta este la fel de simplu ca derularea listei până la ultimul element din grup.

De fapt, există doi candidați pentru cel mai greu gaz nobil și niciunul nu este ultimul element din grup.

Oganezul nu este cel mai greu gaz nobil.

După cum am menționat cu un moment în urmă, contrar intuiției inițiale, cel mai greu gaz nobil nu este ultimul membru al grupului, adică oganeson, simbol chimic Og. Acest lucru se datorează mai multor motive. Pentru început, oganesonul este un element transactinid sintetic, ceea ce înseamnă că acest element nu există în natură, ci a fost sintetizat într-un accelerator de particule prin fuziune nucleară.

Problema cu oganesonul, și principalul motiv pentru care nu îi putem acorda titlul de gaz nobil cel mai greu, este că are o durată de viață foarte scurtă; mai puțin de 1 ms. În plus, elementele sintetice sunt produse în cantități extrem de mici. Din ambele motive, este aproape imposibil să se acumuleze destui atomi de oganeson într-un timp suficient de lung pentru a-și măsura proprietățile fizico-chimice. În consecință, nu se știe nimic sigur despre starea fizică a acestui element la temperatură și presiune normale.

De fapt, se estimează că, dacă ar dura suficient de mult, acest element ar fi un solid la temperatura camerei. Acest lucru în sine îl descalifică drept cel mai greu „gaz nobil”, în ciuda faptului că este cel mai greu element cunoscut de om.

Pe de altă parte, au fost efectuate multiple calcule teoretice și asupra structurii electronice pe care ar avea-o acest element și rezultatele sunt cu adevărat neașteptate. Se presupune că sarcina nucleară mare ar accelera electronii până aproape de viteza luminii, făcându-i să se comporte foarte diferit față de alte elemente cunoscute. Cea mai clară consecință a acestui lucru este că nici măcar nu știm dacă ar avea aceleași caracteristici inerte ca și ceilalți membri ai grupului.

În anumite condiții, xenonul poate lua trofeul

Deoarece gazele, în special gazele nobile, se comportă ca gazele ideale în condiții normale de temperatură și presiune, se poate obține cu ușurință o relație între densitatea și masa molară a unui gaz. Această relație este dată de:

unde ρ este densitatea gazului în g/L, P este presiunea în atmosfere, T este temperatura absolută, R este constanta gazului ideal și MM este masa molară a gazului. După cum puteți vedea, densitatea este direct proporțională cu masa molară. Dacă avem în vedere că toate gazele nobile sunt sub formă de elemente monoatomice, cel mai dens element ar trebui să fie radonul.

Totuși, în anumite condiții foarte speciale (aplicarea de descărcări electrice pe un jet supersonic de xenon gazos), este posibilă transformarea xenonului în dimeri ionizați sau în ioni moleculari biatomici cu formula Xe ₂ ⁺ . Acest gaz nou ar avea o masă molară de 263 g/mol, care este mai mare decât masa molară a radonului, care este de 222 g/mol. Având o masă molară mai mare, această formă gazoasă de Xe ar fi mai densă decât radonul gazos, furând astfel coroana.

Cu toate acestea, acest lucru ar fi foarte speculativ, deoarece condițiile în care se formează dimerii sunt dificil de menținut, astfel încât speciile moleculare durează pentru o perioadă foarte scurtă de timp.

Cel mai greu gaz nobil este radonul (Rn)

Având în vedere argumentele de mai sus, ajungem la concluzia că cel mai greu gaz nobil este radonul. Acest element este un gaz inert, incolor și inodor, care este și radioactiv.

Dintre toate elementele din grupa 18, radonul are cea mai mare greutate atomică (222 u) și, în afară de discutabilă excepție a Xe ₂ , este și cel mai dens dintre gazele nobile, cu o densitate de 9,074 g/L la o temperatură de 25 °C și o presiune de 1 atm.

Referințe

Dubé, P. (1991, 1 decembrie). Răcirea supersonică a excimerilor cu gaz rari excitați în descărcări de curent continuu . Optical Publishing Group. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-16-23-1887

Jerabek, P. (2018, 31 ianuarie). Funcțiile de localizare a electronilor și nucleonilor ale lui Oganesson: Apropierea limitei Thomas-Fermi . Physical Review Letters 120, 053001. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.053001

Lomaev, MI, Tarasenko, V. și Schitz, D. (2006, iunie). Un excilamp cu dimer xenon de mare putere . Scrisori de fizică tehnică 32(6):495–497. https://www.researchgate.net/publication/243533559_A_high-power_xenon_dimer_excilamp

Institutul Național de Standarde și Tehnologie. (2021). Intensificarea xenonului . NIST. https://webbook.nist.gov/cgi/inchi/InChI%3D1S/Xe2/c1-2

Oganessian, YT și Rykaczewski, KP (2015). Un cap de pont pe insula stabilității. Physics Today 68, 8, 32. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2880