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).
