Vzácne plyny (prvky 18. skupiny)

Vzácne plyny sú chemické prvky zaradené v 18. skupine periodickej tabuľky prvkov. Patria sem hélium (He), neón (Ne), argón (Ar), kryptón (Kr), xenón (Xe), rádioaktívny radón (Rn) a umelo pripravený, extrémne nestabilný oganesón (Og).

Atómy vzácnych plynov (s výnimkou hélia) majú úplne zaplnenú valenčnú elektrónovú vrstvu s konfiguráciou ns² np⁶, čo predstavuje stabilný elektrónový oktet. Hélium má konfiguráciu 1s² (elektrónový duplet). Táto mimoriadne stabilná elektrónová konfigurácia je dôvodom ich vysokej stability a extrémnej chemickej inertnosti. Majú veľmi vysoké ionizačné energie (energia potrebná na odtrhnutie elektrónu) a takmer nulovú elektrónovú afinitu (ochota prijať elektrón). Z týchto dôvodov za bežných podmienok takmer vôbec nereagujú s inými látkami a vyslúžili si historické označenie inertné plyny.

Fyzikálne vlastnosti vzácnych plynov link

Za normálnych podmienok sú všetky vzácne plyny:

• plynné, tvorené jednotlivými, chemicky neviazanými atómami (monoatomické plyny)
• bezfarebné a bez zápachu
• veľmi slabo rozpustné vo vode

Ďalšie fyzikálne vlastnosti a trendy:

• Teploty topenia a varu: Majú extrémne nízke hodnoty (medzi najnižšími zo všetkých prvkov). V skupine smerom nadol postupne rastú.
• Hustota: V skupine smerom nadol rastie.
• Medzimolekulové sily: Medzi nepolárnymi atómami pôsobia len veľmi slabé van der Waalsove sily (Londonove disperzné sily), ktorých sila rastie s veľkosťou atómu (preto rastú teploty varu a topenia).
• Emisia svetla: Pri prechode elektrického výboja plynom pod nízkym tlakom atómy absorbujú energiu a pri návrate do základného stavu emitujú svetlo charakteristickej farby pre daný plyn (He – ružovo-fialové, Ne – červeno-oranžové, Ar – modrofialové, Kr – zelenkasto-biele, Xe – modré až biele). Tento jav sa využíva vo výbojkách.

Chemické vlastnosti a reaktivita link

Ako už bolo spomenuté, vzácne plyny sú chemicky veľmi málo reaktívne. Predstava o ich absolútnej inertnosti bola prelomená až v roku 1962, keď Neil Bartlett pripravil prvú zlúčeninu xenónu, hexafluoroplatičitan xenónu ([Xe]⁺[PtF₆]⁻). Platí však, že reaktivita v skupine smerom nadol mierne rastie (s klesajúcou ionizačnou energiou).

Hélium, neón a argón sú považované za prakticky nereaktívne. Za bežných podmienok netvoria stabilné chemické zlúčeniny (poznáme len extrémne nestabilné ióny ako HeH⁺ alebo zlúčeninu HArF pripravenú pri extrémne nízkych teplotách).

Kryptón, xenón a radón sú schopné tvoriť chemické zlúčeniny, avšak len za špecifických podmienok a zvyčajne len s najelektronegatívnejšími prvkami, ako sú fluór (F) a kyslík (O).

Odvtedy bola syntetizovaná rada zlúčenín, najmä fluoridov, oxidov a oxyfluoridov xenónu a v menšej miere aj kryptónu a radónu. Tieto zlúčeniny sú často silnými oxidačnými a/alebo fluoračnými činidlami a mnohé sú nestabilné.

Okrem pravých chemických zlúčenín môžu vzácne plyny tvoriť aj tzv. klatráty, kde sú ich atómy fyzikálne "uväznené" v dutinách kryštálovej mriežky inej látky (napr. vody alebo hydrochinónu) bez vzniku chemickej väzby.

Výskyt v prírode link

Väčšina vzácnych plynov (Ne, Ar, Kr, Xe) sa nachádza predovšetkým v zemskej atmosfére. Najhojnejší je argón (Ar), ktorý tvorí približne 0,934 % objemu suchého vzduchu a je tretím najzastúpenejším plynom po dusíku a kyslíku. Ostatné vzácne plyny sú v atmosfére prítomné len v stopových množstvách (Ne ~18 ppm, Kr ~1 ppm, Xe ~0,09 ppm).

Hélium (He) sa v atmosfére vyskytuje len v malom množstve (~5 ppm), pretože jeho ľahké atómy unikajú z gravitačného poľa Zeme do vesmíru. Hlavným zdrojom hélia sú ložiská zemného plynu, kde sa hromadí ako produkt alfa-rozpadu uránu a tória v zemskej kôre. Niektoré ložiská obsahujú aj nízke množstvá hélia. Vo vesmíre je hélium druhým najrozšírenejším prvkom po vodíku.

Radón (Rn) je rádioaktívny a v prírode vzniká priebežne rozpadom rádia (ktoré je produktom rozpadu uránu) v horninách a pôde. Ako plyn môže unikať do atmosféry, vôd a budov, ale kvôli krátkemu polčasu rozpadu sa nehromadí vo veľkých množstvách. Jeho prítomnosť v budovách predstavuje zdravotné riziko.

Získavanie vzácnych plynov link

Neón, argón, kryptón a xenón sa priemyselne získavajú frakčnou destiláciou skvapalneného vzduchu. Vzduch sa skvapalní pri nízkej teplote (cca -200 °C) a následne sa jeho zložky oddeľujú na základe rozdielnych teplôt varu v destilačných kolónach. Argón sa získava vo veľkom ako vedľajší produkt výroby O₂ a N₂, zatiaľ čo Kr a Xe sa izolujú z najťažších frakcií v oveľa menších množstvách a sú podstatne drahšie.

Hélium sa získava zo zemného plynu s dostatočným obsahom He. Zemný plyn sa ochladzuje, pričom ostatné zložky (hlavne metán) skvapalnia skôr, zatiaľ čo hélium s extrémne nízkou teplotou varu zostáva plynné a dá sa oddeliť. Hélium je považované za neobnoviteľnú surovinu.

Radón sa získava v malých množstvách z materiálov obsahujúcich rádium ako produkt jeho rádioaktívneho rozpadu: \( \ce{^{226}_{88}Ra -> ^{222}_{86}Rn + ^{4}_{2}He} \quad (\alpha) \).

Praktické využitie vzácnych plynov link

Napriek svojej chemickej inertnosti majú vzácne plyny široké praktické uplatnenie:

• Osvetľovacia technika: Výbojky (neónové reklamy – Ne, xenónové svetlomety – Xe, fotografické blesky – Xe, Kr), plnenie žiaroviek (Ar, Kr).
• Ochranné atmosféry: Inertnosť Ar a He sa využíva pri zváraní, v metalurgii, pri raste kryštálov.
• Kryogénna technika: Kvapalné hélium (-269 °C) pre supravodivé magnety (MRI, NMR), výskum pri nízkych teplotách.
• Lasery: Ako aktívne médium (He-Ne, Ar, KrF, XeCl).
• Medicína: Xenón (anestetikum), hélium (dýchacie zmesi pre potápačov – heliox), rádioizotopy (Rn v rádioterapii – historicky).
• Iné aplikácie: Balóny a vzducholode (He), izolačné sklá (Ar, Kr), iónové motory (Xe), datovanie hornín (Ar).

Zlúčeniny hélia link

Hélium je extrémne nereaktívne. Za bežných podmienok netvorí žiadne stabilné chemické zlúčeniny.

Zlúčeniny neónu link

Podobne ako hélium, neón je extrémne nereaktívny a netvorí žiadne známe stabilné chemické zlúčeniny.

Zlúčeniny argónu link

Argón je vysoko nereaktívny. Jedinou známou, extrémne nestabilnou zlúčeninou pripravenou pri veľmi nízkych teplotách, je fluorohydrid argónu (HArF).

Zlúčeniny kryptónu link

Kryptón je reaktívnejší ako argón, ale stále veľmi málo. Najznámejšou zlúčeninou je difluorid kryptónu (KrF₂).

Difluorid kryptónu link

Difluorid kryptónu (KrF₂) je bezfarebná, prchavá pevná látka, silné oxidačné a fluoračné činidlo. Je nestabilný a rozkladá sa pri izbovej teplote. Pripravuje sa reakciou kryptónu s fluórom pri nízkych teplotách pomocou elektrického výboja alebo UV žiarenia:

\( \ce{Kr(g) + F2(g) ->[\text{el. výboj, nízka T}] KrF2(s)} \)

Používa sa najmä ako aktívne médium v KrF laseroch.

Zlúčeniny xenónu link

Xenón tvorí pomerne širokú škálu zlúčenín, najmä s fluórom a kyslíkom. Sú to často silné oxidačné a fluoračné činidlá.

Fluorid xenónatý link

Fluorid xenónatý (XeF₂) je biela kryštalická látka, najstabilnejší fluorid xenónu. Pripravuje sa priamou reakciou Xe s F₂ (pomer cca 1:1) pri 400 °C alebo UV žiarením.

\( \ce{Xe(g) + F2(g) ->[\text{400 °C \text{ alebo UV}}] XeF2(s)} \)

Používa sa ako mierne fluoračné činidlo.

Fluorid xenoničitý link

Fluorid xenoničitý (XeF₄) je bezfarebná kryštalická látka. Pripravuje sa reakciou Xe s nadbytkom F₂ (pomer cca 1:5) pri 400 °C a tlaku.

\( \ce{Xe(g) + 2F2(g) ->[400\text{ °C, nadbytok fluóru}] XeF4(s)} \)

Je silnejším fluoračným činidlom ako XeF₂.

Fluorid xenónový link

Fluorid xenónový (XeF₆) je bezfarebná pevná látka, ľahko sublimuje. Je veľmi reaktívny. Pripravuje sa s veľkým nadbytkom F₂ (1:20) pri vyššej teplote a tlaku.

\( \ce{Xe(g) + 3F2(g) ->[300\text{ °C, vysoký tlak}] XeF6(s)} \)

Je extrémne silné fluoračné a oxidačné činidlo. Hydrolyzuje za vzniku XeO₃.

Oxid xenónový link

Oxid xenónový (XeO₃) je biela pevná látka, vysoko nestabilná a explozívna. Vzniká opatrnou hydrolýzou XeF₄ alebo XeF₆.

\( \ce{XeF6(s) + 3H2O(l) -> XeO3(aq) + 6HF(aq)} \)

Je to silné oxidačné činidlo. V zásaditom prostredí tvorí hydrogenxenónany (obsahujúce anión HXeO₄⁻), ktoré ďalej disproporcionujú na xenón a perxenonany (obsahujúce anión XeO₆⁴⁻).

Zlúčeniny radónu link

Radón by mal byť chemicky najreaktívnejší zo vzácnych plynov (okrem Og). Predpokladá sa existencia zlúčenín ako difluorid radónu (RnF₂). Experimentálne štúdium je extrémne náročné kvôli rádioaktivite.

Zlúčeniny oganesónu link

Vzhľadom na extrémne krátku životnosť nie je možné pripraviť ani študovať jeho zlúčeniny experimentálne.