HELOWCE

opracował: JAROSŁAW SUKIENNIK

Ogólna charakterystyka

• znajdują się w 18 grupie układu okresowego (dawniej VIII

grupa główna – 8 A)

• są to pierwiastki bloku

p

(wyjątek hel [

He

] blok

s

)

• zawierają po

8 elektronów na ostatniej powłoce

za wyjątkiem

helu

, który ma

2 elektrony

na swojej jedynej powłoce

• konfiguracja ostatniej powłoki wygląda ogólnie

-

n

s

2

n

p

6

gdzie „

n

” oznacza numer okresu

- wyjątek stanowi

hel

którego

konfiguracja

wygląda następująco

1s

2

• są to gazy bezbarwne, nie posiadają także smaku i zapachu
• mają niskie temperatury topnienia i parowania
• wykazują najmniejszą reaktywność ze wszystkich pierwiastków

ze względu na trwałą konfigurację elektronową (8 elektronów
na ostatniej powłoce; hel 2 elektrony)

• hipotetyczna cząsteczka He

2

zawierałaby niekorzystny układ

elektronów na orbitalu wiążącym i antywiążącym:
[(σ1s)

2

(σ*1s)

2

] i przedstawiałaby układ bogatszy w energię niż

dwa osobne at. helu

• konfiguracja cząsteczki He

2

+

[(σ1s)

2

(σ*1s)

1

] jest trwalsza niż

układ złożony z atomu He i jonu He

+

• układ HeH

+

jest dość trwałym układem i nie zawiera

elektronów na orbitalu antywiążącym; konfiguracja: (σ1s)

2

Schemat orbitali w hipotetycznej cząsteczce He

2

oraz w jonach He

2

+

i HeH

+

He

He

2

He

He

He

2

+

He

+

He

HeH

+

H

+

• Jony He

2

+

i HeH

+

powstają podczas wyładowań

elektrycznych które dostarczają energii koniecznej
do zjonizowania atomu He lub w drugim przypadku
do jonizacji atomu H. Obecność ich potwierdzają
badania spektroskopowe.

• Wykryto także obecność jonów innych gazów
szlachetnych jak: Kr

2

+

oraz NeXe

+

.

• Jednoatomowe cząsteczki helowców mogą na
siebie oddziaływać tylko słabymi oddziaływaniami
dyspersyjnymi.

Karta historyczna

Do 1962 roku nie znano żadnego trwałego związku w

którym występował jakikolwiek gaz szlachetny. Neil Bartlet
zauważył, że energia jonizacji ksenonu (1170 kJ/mol) jest
niemal taka sama jak energia jonizacji tlenu (1165 kJ/mol).
A skoro silny utleniacz tj. heksafluorek platyny PtF

6

potrafi

utworzyć z tlenem heksafluoroplatynian(VI) dioksydenylu
(O

2

)

+

(PtF

6

)

-

to będzie on mógł też utworzyć związek z

ksenonem. Bartlet uzyskał w ten sposób w temperaturze
pokojowej heksafluoroplatynian(VI) ksenonu: Xe

+

(PtF

6

)

-

-

czerwony proszek. Dało to początek prób syntezy związków
chemicznych zawierających w cząsteczkach helowiec.

Zawartość helowców w powietrzu

5,2 · 10

-4

1,8 · 10

-3

0,934

1,14 · 10

-3

8,7 · 10

-6

10

-16

Hel (He)
Neon (Ne)

Argon (Ar)

Krypton (Kr)
Ksenon (Xe)
Radon (Rn)

Zawartość, % obj.

Pierwiastek

We wszystkich stanach skupienia występują jako
cząsteczki jednoatomowe.

Dlaczego argonu jest tak dużo?

Argon powstaje nieustannie w wyniku reakcji

promieniotwórczych

.

Ar

K

40

18

0

1

40

19

+

⇒

−

β

Ze względu na dużą zawartość tego izotopu

potasu w litosferze stężenie argonu w atmosferze jest
stosunkowo stałe. Stąd opłacalność jego pozyskiwania
metodą destylacji frakcyjnej powietrza.

Jedno z
najpopularniejszych
zastosowań helu

Podstawowe właściwości helowców

10,75

12,13

14,0

15,76

21,56

24,58

e. jonizacji
[eV

.

atom

-1

]

211,1

165,1

119,8

87,3

27,1

4,2

t. wrzenia [K]

202,1

161,4

116

83,8

24,5

1,05*

t. topnienia [K]

(222)

131,29

83,80

39,95

20,18

4,002

Masa at.

6s

2

6p

5

5s

2

5p

6

4s

2

4p

6

3s

2

3p

6

2s

2

2p

6

1s

2

konfiguracja

Rn

Xe

Kr

Ar

Ne

He

symbol

Radon

Ksenon

Krypton

Argon

Neon

Hel

⋅⋅

* pod ciśnieniem 2.5 MPa (25 atm.)

Właściwości i zastosowania helu

• występuje w znacznych ilościach w gazie ziemnym. Zawartość helu

może tam dojść nawet do 7%. Uzyskuje się go właśnie przez

destylację gazu ziemnego.

• hel powstaje ciągle w wyniku przemian α w szeregach promienio-

twórczych np.

Powstające tu jądro

helu pobiera elektrony z otoczenia.

• jest niepalny i ma dużą nośność, więc stosuje się go do napełniania

balonów i sterowców.

• mieszanina 80% O

2

i 20% He stosowana jest jako gaz dla nurków.

Nie rozpuszcza się on jak azot we krwi i podczas gwałtownego

wynurzenia nie tworzy banieczek zamykając naczynia krwionośne.

Zapobiega więc chorobie kesonowej.

• służy jako gaz ochronny podczas spawania beztlenowego
• ze względu na niską temperaturę wrzenia wykorzystuje się go jako

chłodziwo w elektrowniach atomowych i w układach

nadprzewodzących.

Th

He

U

234

90

2

235

92

+

⇒

+

Obecnie, sterowce
wypełnia się helem.
Jest on gazem dużo
bezpieczniejszym niż
wodór i znacznie
wolniej dyfunduje
przez poszycie.

Dawniej stosowano wodór i kończyło się to jak wyżej.

NEON

• otrzymywany w procesie destylacji frakcyjnej

powietrza.

• stosuje się go w lampach jarzeniowych: czerwono –

pomarańczowe światło

• do lamp w reklamach świetlnych oraz jako gaz

wypełniający lampy kineskopowe

• jest chłodziwem 40 razy bardziej wydajnym niż hel
• znane są jego nietrwałe połączenia z wodą,

toluenem i fenolem

• udało się też wykryć nietrwałe jony neonu tj. Ne

+

,

(NeAr)

+

, (NeH)

+

oraz (HeNe)

+

ARGON

• jego zawartość procentowa w powietrzu wynosi około 0.93%,

stąd opłacalność otrzymywania go metodą destylacji frakcyjnej

• powstaje podczas rozpadu jąder jednego z izotopów potasu

Ar

K

40

18

0

1

40

19

+

⇒

−

β

• stosuje się go do wytwarzania obojętnej atmosfery ochronnej

podczas spawania stopów glinu

• napełnia się nim żarówki i lampy jarzeniowe co daje niebieskawy

kolor światła

• napełnia się nim też liczniki do wykrywania promieniowania

jonizującego.

• potrafi tworzyć nietrwałe hydraty

O

H

Ar

2

6

⋅

Przykład licznika wykorzystującego argon

KRYPTON

• uzyskuje się go przez destylację frakcyjną powietrza
• w mieszance z argonem wykorzystuje się go w lampach

fluorescencyjnych i stroboskopowych

• stosuje się go w radioanalizie chemicznej i medycynie
• używa się go również do produkcji lamp fotgraficznych
• jest stosunkowa drogim gazem 1dm

3

kosztuje około 100 zł

• można wyróżnić sześć stałych izotopów tego pierwiastki
• znane są jony tego pierwiastka tj. ArKr

+

, KrXe

+

, KrH

+

• tworzy także nietrwałe hydraty
• powstaje również w reaktorach atomowych.

O

H

Kr

2

6

⋅

n

Ba

Kr

n

U

2

141

56

92

36

235

92

+

+

→

+

Krypton stosuje się w lampach stroboskopowych
wykorzystywanych w dyskotekach, a także lampach
oświetlających pasy na lotniskach

Związki kryptonu

• potrafi tworzyć związki z fluorem w niskiej temperaturze i obecności

wyładowań elektrycznych

• kwas kryptonowy i jego sól

- H

2

KrO

4

- BaKrO

4

4

2

.

192

,

F

lub

2

KrF

KrF

Kr

elektr

wyłyładowa

C

t

>

−

=

o

KSENON

• nie tworzy hydratów z wodą a jedynie się w niej rozpuszcza.
• tworzy najwięcej trwałych związków chemicznych ze wszystkich

helowców z innymi pierwiastkami

• izotopy

133

Xe i

135

Xe powstają cały czas w reaktorach jądrowych, np.

n

Sr

Xe

U

2

95

38

138

54

235

92

+

+

→

• znane są związki ksenonu z fluorem, wodorem, deuterem i tlenem.

Część z tych związków posiada barwę.

• tlenki ksenonu są używane jako silne utleniacze
• izotop

133

Xe stosuje się w radioskopii

• stosuje się go do napełniania żarówek dużej mocy oraz do produkcji

lamp błyskowych.

• nadkseniany metali są najsilniejszymi ze znanych utleniaczy
• XeO

3

ma właściwości wybuchowe

Obrazowe przedstawienie reakcji rozczepienia uranu

w której powstaje stront i ksenon

Reakcje ksenonu

XeF

4

---- produkt główny, kolor biały

XeF

2

----

produkt uboczny, kolor biały

XeF

6

----

produkt uboczny, bezbarwny

Xe + X F

2

Reakcja zachodzi w temperaturze 20ºC i pod ciśnieniem 6 atmosfer w obecności
katalizatorów niklowych.

XeO

4

+ 2H

2

O

H

4

XeO

4

kwas ksenonowy (VIII), bezbarwny

H

4

XeO

4

+ 4NaOH

Na

4

XeO

4

+ 4H

2

O nadksenonian sodu –

jeden z najsilniejszych znanych utleniaczy

2XeO

3

2Xe + 3O

2

trójtlenek ksenonu – substancja wybuchowa

t

∆

Schemat lampy
ksenonowej.

RADON

• najmniej trwały ze wszystkich gazów szlachetnych T

1

/

2

= około 4 dni

•

promieniotwórczy

• najcięższy znany gaz
• podczas jego chłodzenia poniżej temperatury zamarzania wykazuje

brylantową fosforescencję, która w miarę obniżania temperatury
przechodzi w żółtą a następnie w pomarańczowo-czerwoną

• często towarzyszy rudom uranowym
• tworzy nielotne związki z fluorem, ale ze względu na krótki okres

życia nie otrzymuje się ich w ilościach wagowych

• powstaje w reakcji tj.:
• występuje w niektórych naturalnych źródłach wodnych
• stosuje się go w medycynie do leczenia chorób stawów, obwodowego

układu nerwowego i zachorowań związanych z przemiany materii

+

+

→

2

4

2

222

86

226

88

He

Rn

Ra

BIBLIOGRAFIA

-

„Podstawy chemii nieorganicznej”- Adam Bielański

-

„Tablice chemiczne”- Witold Mizerski

-

„Chemia nieorganiczna”- F.A. Cotton, G. Wilkinson, P.L. Gaus

-

część materiału została opracowana na podstawie fragmentów
artykułów zaczerpniętych z portalu Wydawnictwa Szkolnego i
Pedagogicznego.

Jarosław Sukiennik © 2005