گازهای بی اثر کدامند؟

گازهای بی اثر عبارتند از:

• هلیوم
• نئون
• آرگون
• کریپتون
• زنون
• رادون

تاریخچه پیدایش گازهای بی اثر

اولین کسی که گازهای نجیب را کشف کرد، هنری کاوندیش، در اواخر قرن 18 بود. کاوندیش این عناصر را با حذف شیمیایی تمام اکسیژن و نیتروژن موجود در یک ظرف هوا جدا کرد. در ابتدا، نیتروژنی که در ظرف وجود داشت توسط تخلیه الکتریکی به NO2 اکسید شده و سپس توسط محلول هیدروکسید سدیم جذب شد. بعد از آن، اکسیژن باقیمانده با یک جاذب از مخلوط خارج شد. آزمایش نشان داد که 1/120 واحد از حجم گاز بدون واکنش در ظرف باقی مانده است.

دومین فردی که روی این گازها آزمایش انجام داد و آنها را جدا کرد، ویلیام فرانسیس (1855-1925) بود؛ اما فرانسیس بیشتر به تشکیل گاز هنگام حل کردن مواد معدنی اورانیوم در اسید اشاره داشت.

برای اطلاع بیشتر در مورد گاز نیتروژن و کاربرد های آن در صنایع مختلف، این مقاله از وبسایت روزیاتو را مشاهده کنید.

اولین گاز بی اثر: هلیوم

هلیوم برای اولین بار در سال 1868 کشف شد و خود را در طیف نوری خورشید به صورت یک خط زرد روشن با طول موج 587.49 نانومتر نشان داد. این کشف توسط پیر یانسن انجام شد. یانسن در ابتدا تصور می‌کرد که این رنگ زرد مربوط به طیف خطی عنصر سدیم است.

با این حال، مطالعات بعدی سر ویلیام رمزی، مشخص کرد که این خط زرد روشن در آزمایش او، با طیف خورشید مطابقت دارد. در نهایت ویلیام کروکس، فیزیکدان بریتانیایی، این عنصر هلیوم را شناسایی کرد.

معروف‌ترین گاز بی اثر: آرگون

در سال 1894، جان ویلیام استروت گاز آرگون را کشف کرد. شروع این کشف از جایی بود که جان مشاهده کرد که نیتروژن خالص به دست آمده از طریق فرآیندهای شیمیایی، چگالی کمتری نسبت به نیتروژن جدا شده از نمونه‌های هوا دارد. از این مشاهده، او به این نتیجه رسید که گاز ناشناخته دیگری نیز در هوا وجود دارد.

با کمک ویلیام رمزی، استروت موفق شد آزمایش کاوندیش را به منظور مشاهده و جداسازی بهتر جزء بی اثر هوا در آزمایش اصلی خود اصلاح و تکرار کند. روش این دو محقق با روش کاوندیش متفاوت بود؛ آنها اکسیژن را با واکنش آن با مس و نیتروژن را در واکنش آن با منیزیم حذف کردند. گاز باقیمانده به خوبی مشخص شد که این عنصر جدید را آرگون نامگذاری کردند.

آرگون، از کلمه یونانی به معنای بی اثر سرچشمه می‌گیرد. بعدها از این گاز به دلیل واکنش پذیر نبودن آن به صورت کپسول گاز آرگون در صنایع مختلف استفاده کردند.

نئون، کریپتون، زنون

این سه گاز بی اثر در گروه 18 جدول تناوبی، توسط موریس دبلیو تراورز و سر ویلیام رمزی در سال 1898 کشف شدند. رمزی گاز نئون را با سرد کردن نمونه‌ای از هوا و رساندن آن به حالت مایع و سپس گرم کردن هوای مایع و جدا کردن گازها در حین رسیدن به نقطه جوش خود کشف کرد. دو گاز بی اثر کریپتون و زنون نیز از طریق همین فرآیند کشف شدند.

آخرین گاز بی اثر: رادون

در سال 1900، فریدریش ارنز دورن، در حین مطالعه درباره زنجیره واپاشی رادیوم، آخرین گاز گروه 18 را کشف کرد: رادون. دورن در آزمایشات خود که حول عنصر رادیوم بود متوجه شد که ترکیبات این عنصر، یک گاز رادیواکتیو ساطع می‌کنند. این گاز رادیواکتیو در ابتدا نیتون که از کلمه لاتینی به معنی درخشش بود، نامگذاری شد؛ اما در سال 1923، کمیته بین المللی عناصر شیمیایی و اتحادیه بین المللی شیمی کاربردی خالص (IUPAC) تصمیم گرفتند که نام این عنصر را به رادون تغییر دهند.

قابل ذکر است که تمامی ایزوتوپ‌های رادون رادیواکتیو هستند. رادون-222 با کمتر از 4 روز طولانی‌ترین نیمه عمر را دارد که محصول تجزیه آلفا رادیوم-226 (بخشی از زنجیره واپاشی رادیواکتیو U-238 تا Pb-206) است.

 آرایش الکترونی گازهای بی اثر

• هلیوم (He): 1s²
• نئون (Ne): 2s² 2p⁶ [He]
• آرگون (Ar): [Ne] 3s² 3p⁶
• کریپتون (Kr): [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶
• زنون (Xe): [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁶
• رادون (Rn): [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁶

خواص اتمی و فیزیکی گازهای بی اثر

• جرم اتمی، نقطه جوش و شعاع اتمی گازهای نجیب گروه 18 جدول تناوبی از بالا به پایین افزایش می‌یابد.
• از بالا به پایین، انرژی یونیزاسیون این گروه در جدول تناوبی کاهش می‌یابد.
• گازهای نجیب بیشترین انرژی یونیزاسیون را دارند که نشان دهنده بی اثر بودن شیمیایی آنهاست.
• با حرکت به سمت پایین گروه 18، شعاع اتمی و نیروهای بین اتمی افزایش پیدا می‌کند که منجر به افزایش نقطه ذوب، نقطه جوش، آنتالپی تبخیر و حلالیت می‌شود.
• از آنجایی که اندازه اتم‌ها در این گروه از بالا به پایین افزایش می‌یابد، ابرهای الکترونی این اتم‌های غیرقطبی به طور فزاینده‌ای قطبی می‌شوند که در نهایت منجر به نیروهای ضعیف واندروالس در بین اتم‌ها می‌شود. بنابراین، تشکیل مایعات و جامدات از این عناصر سنگین‌تر به دلیل نقطه ذوب و جوش آنها آسان‌تر است.
• از آنجایی که لایه الکترونی بیرونی گازهای نجیب پر است، بسیار پایدار هستند و تمایل به تشکیل پیوندهای شیمیایی ندارند. همچنین این گازهای بی اثر، تمایل کمی به گرفتن یا از دست دادن الکترون دارند.
• در شرایط استاندارد، همه اعضای گروه گاز نجیب رفتار مشابهی دارند.
• همه عناصر گروه 18 در شرایط استاندارد به صورت گاز یکنواخت هستند.
• اتم‌های گاز نجیب، مانند اتم‌های گروه‌های دیگر، به‌دلیل افزایش تعداد الکترون‌ها، از یک دوره به دوره دیگر به‌طور پیوسته در شعاع اتمی افزایش می‌یابند.
• اندازه اتم با چندین ویژگی گازهای نجیب همبستگی دارد. پتانسیل یونیزاسیون با شعاع فزاینده کاهش پیدا می‌کند؛ زیرا الکترون‌های ظرفیت در گازهای نجیب بزرگتر، دورتر از هسته هستند. بنابراین هسته با انرژی کمتری آنها را نگه می‌دارد.
• نیروی جاذبه بین ذرات با اندازه اتم، افزایش قطبش پذیری و در نتیجه کاهش پتانسیل یونیزاسیون افزایش می‌یابد.
• به طور کلی، در مقایسه با عناصر گروه های دیگر گازهای نجیب دارای نیروهای بین اتمی ضعیف و در نتیجه نقطه جوش و ذوب بسیار پایین هستند.

انرژی گازهای بی اثر

برای گازهای دو اتمی و چند اتمی با پیوند کووالانسی، ظرفیت گرمایی از حرکات انتقالی، چرخشی و ارتعاشی احتمالی ناشی می‌شود. از آنجا که گازهای تک اتمی هیچ پیوندی ندارند، پس نمی‌توانند گرما را به عنوان ارتعاشات پیوندی جذب کنند.

از طرف دیگر، باتوجه به این که مرکز جرم گازهای تک اتمی در هسته اتم است و جرم الکترون‌ها در مقایسه با هسته ناچیز است، انرژی جنبشی ناشی از چرخش نیز در مقایسه با انرژی جنبشی انتقال ناچیز است. این در حالی است که در مولکول‌های دو یا چند اتمی، چرخش هسته‌ها به دور مرکز جرم مولکول به میزان قابل توجهی به ظرفیت گرمایی کمک می کند. بنابراین، انرژی داخلی گازهای بی اثر به ازای هر مول یک گاز نجیب تک اتمی با سهم انتقالی آن برابر است.

در رابطه با گازهای تک اتمی در دمای معین، میانگین انرژی جنبشی ناشی از انتقال عملاً بدون توجه به نوع عنصر با یکدیگر برابر است. اما به طور کلی، سرعت متوسط گاز تک اتمی با افزایش جرم مولکولی کاهش می‌یابد و با توجه به وضعیت ظرفیت گرمایی، هدایت حرارتی گاز نجیب با افزایش جرم مولکولی کاهش پیدا می‌کند.