Soy gaz

Soy gaz veya asal gaz, standart şartlar altında tamamı, diğer elementlere kıyasla daha düşük kimyasal reaktifliğe sahip kokusuz, renksiz tek atomlu gazlar olan kimyasal element grubudur. Helyum (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), ksenon (Xe) ve radon (Rn) doğal olarak bulunan altı soy gazdır ve tamamı ametaldir. Her biri periyodik tablonun sırasıyla ilk altı periyodunda, 18. grubunda (8A) yer alır. Grupta yer alan oganesson (Or) ise kimyasal yapısı henüz araştırılmadığından ötürü bir soy gaz olabileceği gibi göreli etkilerden ötürü grup özelliklerine aykırı bir yapıya da sahip olabilir.
Soy gazlar, belirli ekstrem şartlar haricinde çok düşük reaktifliğe sahiplerdir. Soy gazların bu inert yapısı, kimyasal reaksiyon istenmeyen durumlarda kullanılmaya uygun olmalarını sağlar. Soy gazların özellikleri, atom yapısının modern teorileri ile açıklanmaktadır. En dış elektron kabukları tamamen değerlik elektronlarla dolu olduğundan dolayı reaksiyona girme eğilimleri düşüktür ve bu nedenle birkaç yüz soy gaz bileşiği elde edilebilmiştir. Her bir soy gazın erime ve kaynama noktaları birbirine en fazla 10 °C (18 °F) yakın olduğundan, bu gazlar yalnızca bu sıcaklık aralığında sıvı hâlde bulunurlar.
Neon, argon, kripton ve ksenon bir hava ayırma ünitesi yardımıyla gazların sıvılaştırılması ve ayrımsal damıtma yöntemleri kullanılarak havadan elde edilir. Helyum, yüksek yoğunlukta bulunduğu doğalgazdan, kriyojenik gaz ayırma teknikleri kullanılarak; radon ise genellikle çözünmüş radyum, toryum ya da uranyum bileşiklerinin radyoaktif bozunumundan izole edilmesiyle elde edilir. Soy gazlar; aydınlatmada, dalgıçlıkta, eksimer lazerlerde, gaz balonlarında, kriyojenikte, tıpta ve diğer bilimsel araştırmalarda kulanılmaktadır.

Geçmişi

Türkçedeki soy gaz veya diğer kullanımıyla asal gaz ifadesi Almancadaki edelgas sözcüğünün çevirisi olup bu terim ilk kez 1898'de ilgili elementlerin kimyasal reaksiyona girme eğilimlerinin düşüklüğüne işaret etme adına Hugo Erdmann tarafından kullanıldı. Soy gazlar geçmişte inert gazlar (atıl, durgun ya da ölü gaz) olarak da anılmış ancak birçok soy gaz bileşiğinin tespit edilmesinden sonra bu tanımlama uygun bulunmadığından kullanılmamaya başlanmıştır. Daha önceleri bu elementleri tanımlayan diğer bir terim olan nadir gazlar ise radyoaktif potasyum-40'ın bozunması sebebiyle argonun, Dünya atmosferinin hacimce %0,94'ünü, kütlece %1,3'ünü oluşturmasından ötürü nadir olmadığının tespit edilmesi sonrasında kullanılmamaktadır.
Helyumun varlığına dair ilk gözlem 18 Ağustos 1868'de, Güneş'in renk yuvarının emisyon spektrumuda 587,49 nanometre dalga boyuna sahip sarı bir çizgi gören Pierre Janssen tarafından gerçekleştirildi ancak o dönem bu çizginin sodyum olduğu düşünüldü. Aynı yıl 20 Ekim'de, Güneş spektrumunda sarı bir çizgi gözlemleyen Norman Lockyer; çizgiyi, halihazırda bilinen sodyumun D₁ ve D₂ Fraunhofer çizgilerinin yanında olacak şekilde D₃ olarak adlandırdı ve buna, Güneş'te var olsa da Dünya'da varlığı bilinmeyen bir elementin yol açtığı kanısına vardı. Lockyer ile Edward Frankland bu elemente, Yunancada Güneş anlamına gelen ήλιος (ilios) sözcüğünden esinlenerek helyum (İngilizce helium) adını verdiler. Argonun varlığına dair ilk bulgulara 1784'te, Henry Cavendish'in havanın, azottan daha az reaktif ve daha az oranda bir madde içerdiğini tespit etmesiyle ulaşıldı. 1894'te John William Strutt ile William Ramsay yaptıkları deneyle havadaki azot, oksijen, karbondioksit ve suyu ayırması sonrasında bu şekilde elde ettikleri azot yoğunluğunun, kimyasal reaksiyonlar sonucunda oluşan azot yoğunluğundan farklı olduğunu keşfetti ve havadan elde edilen azotun başka bir gaz ile karışık olduğu kanısına vardı. Ardından yapılan deney sonucunda yeni bir element başarılı bir şekilde izole edildi ve elemente Yunancada "tembel" anlamına gelen αργός (argos) sözcüğünden yola çıkılarak argon ismi verildi. Bu keşifle birlikte periyodik tabloda bir gaz sınıfının tamamen eksik olduğunu fark ettiler. Bu dönemde argon üzerindeki çalışmalarını sürdüren Ramsay, bir taraftan da kleveyit mineralini ısıtması sonucunda helyumu ilk kez izole etmeyi başardı. 1902'de helyum ve argon elementleri için kanıtların kabul edilmesiyle Dmitriy Mendeleyev bu gazları, daha sonra periyodik tablo olacak olan element dizilimine, 0. grupta yer alacak şekilde yerleştirdi.
Ramsay, bu gazlar üzerindeki çalışmalarına Morris Travers ile birlikte, sıvı havayı çeşitli bileşene ayırdığı ayrımsal damıtma yöntemini kullanarak devam etti. İkili 1898'de kripton, ksenon ve neon elementlerini keşfederek elementlere sırasıyla Yunancada "gizli" anlamına gelen κρυπτός (kriptos), "yabancı" anlamına gelen ξένος (ksenos) ve "yeni" anlamına gelen νέος (néos) isimlerini verdi. Radon, ilk kez Friedrich Ernst Dorn tarafından 1898'de tanımlandı ve radyum emanasyonu şeklinde isimlendirildi. Ancak özelliklerinin diğer soy gazlara benzediğinin William Ramsay tarafından 1904 yılında tespit edilmesine dek soy gaz olarak kabul edilmedi. Strutt ve Ramsay 1904'te, soy gazların keşfinden ötürü sırasıyla fizik ve kimya dallarında Nobel Ödülü kazandılar.
1962'de Neil Bartlett, ilk soy gaz bileşiği ksenon hekzafloroplatinatı keşfetti. Devamında diğer soy gaz bileşiklerinin de keşifleri gerçekleşti. 1962'de radon diflorür, 1963'te kripton diflorür (KrF₂) keşfedildi. 40 K (-233,2 °C; -387,7 °F) sıcaklık altında oluşturulan argonun ilk kararlı bileşiği argon florohidrürün varlığına 2000 yılında ulaşıldı.
1998'de, Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsündeki bilim insanları, plütonyum (Pu) elementine kalsiyum (Ca) bombardımanı uygulayarak tek atomlu 114. element olan flerovyum (Fl) elementini elde etti. Başlangıç deneyleri bu elementin periyodik tablonun 14. grubunda yer almasına karşın anormal soy gaz benzeri yapıya sahip olan ilk süper ağır element olabileceğini gösterse de elementin soy gaz olup olmadığı bilinmemektedir. 2006'da Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü ve Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndaki bilim insanları, kaliforniyum (Cf) elementine kalsiyum (Ca) bombardımanı yaparak oganesson (Og) adlı 18. gruptaki yedinci elementi sentetik olarak elde ettiler.

Kimyasal özellikleri

Soy gazlar; standart şartlar altında renksiz, kokusuz, tatsız ve yanmazdır. Bu elementler eskiden, sıfır değerliğe sahip olduklarına ve bu sebepten ötürü diğer elementlerle bileşik oluşturamayacakları düşünüldüğünden periyodik tabloda 0. grup olarak sınıflandırılmaktaydı. Ancak zaman içinde bazılarının bileşik oluşturabildiği tespit edildi ve bu sınıflandırma kullanımdan kaldırıldı.

Kullanım alanları

Soy gazlar, diğer elementlere göre sahip oldukları düşük erime ve kaynama noktaları nedeniyle kriyojenik soğutucu olarak kullanılmaktadır. Özellikle kaynama noktası 42 K (-231,2 °C; -384,1 °F) olan sıvı helyum, manyetik rezonans görüntüleme ve nükleer manyetik rezonansta ihtiyaç duyulan süper iletkenli mıknatısların soğutulması için kullanılır. Sıvı helyum kadar düşük sıcaklıklara ulaşamamasına karşın sıvı neon; sıvı helyumdan 400, sıvı hidrojenden ise 3 kattan daha fazla soğutma kapasitesine sahip olduğundan kriyojenikte kullanılmaktadır.
Helyum, özellikle lipitlerde olmak üzere sıvılardaki görece düşük çözünürlüğü nedeniyle solunum gazı bileşeni olarak azotun yerine kullanılır. Gazlar, aletli dalışta olduğu gibi basınç altında kan ve doku tarafından absorbe edilir ve derinlik sarhoşluğu olarak bilinen anestezik etkiye sebep olurlar. Düşük çözünürlüğü nedeniyle az miktarda helyum hücre zarlarından içeri alınır ve helyum trimiks ve helioksta olduğu gibi solunum gazı parçası olarak kullanılırsa gazın derindeki narkotik etkisinde düşme olur. Vücutta çözünmüş gazın daha düşük miktarda bulunması, yükselme esnasında basıncın düşmesiyle birlikte daha az gaz kabarcığının oluşmasını sağlar. Helyumun düşük çözünürlüğü ayrıca, vurgun olarak bilinen durumda ek faydalar sağlamaktadır. Diğer taraftan argon, aletli dalıştaki elbisenin şişirilmesinde kullanılan en iyi gaz olarak kabul edilmektedir.
1937'deki Hindenburg felâketinin ardından helyum, yüzme özelliğindeki %8,6 düşüşe rağmen hafifliği ve yanıcı olmaması sebebiyle zeplin ve balonlarda kaldırma gazı olarak hidrojenin yerine kullanılmaya başlanmıştır.
Çeşitli uygulamada soy gazlar, inert atmosfer ortamı yaratmak amacıyla kullanılır. Argon, azota hassas olan havaya duyarlı bileşiklerin sentezinde kullanılır. Katı argon, reaksiyon ara ürünleri gibi çok kararsız bileşiklerin araştırılmasında, bileşikleri çok düşük sıcaklıklarda bir inert matriste hapsetme amacıyla da kullanılmaktadır. Helyum; gaz kromatografisinde taşıyıcı ortam, termometrelerde gaz dolgusu, kabarcık odası ve Geiger sayacı gibi radyasyon ölçmeye yarayan aletlerde kullanılır. Helyum ve argon ark kaynaklarında, kaynak ve kesme esnasında ana metalin etrafını sararak koruma oluşturmanın yanı sıra diğer metalurjik süreçlerde ve yarı iletken sanayiindeki silisyum ve germanyum üretiminde koruyucu olarak kullanılmaktadırlar. Diğer taraftan helyum, nükleer reaktörlerdeki yakıt çubuklarında da gaz dolgusu olarak kullanılmaktadır.
Soy gazlar, diğer gazlara kıyasla sahip oldukları düşük reaktiflik nedeniyle aydınlatmada yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Argon ile azot karıştırılarak ampuller için gaz dolgusu olarak kullanılır. Filamanın buharlaşma oranını argondan daha fazla düşüren kripton, daha yüksek renk sıcaklığı ve verimliliğe sahip daha yüksek performanslı ampullerde kullanılır. Halojen lambalarda kripton, iyot ve brom bileşikleri ile karıştırılarak kullanılmaktadır. Soy gazlar, gaz deşarj lambalarında kullanıldığında birbirinden farklı renklerde gözükür. Neon lambası olarak adlandırılan lambalarda neonun yanı sıra kullanılan diğer gazlar ve fosfor, neonun turuncu-kırmızı rengine farklı tonlar eklemektedir. Neredeye sürekli spektrumları sayesinde gün ışığını andıran, film projektörleri ve otomobil farlarında kullanılan ksenon ark lambaları ise içeriğinde ksenon barındırmaktadır.
Soy gazlar; eksimer olarak bilinen kısa ömürlü, elektronik olarak uyarılmış molekülleri temel alan eksimer lazerlerde kullanılır. Lazerde kullanılan eksimerler Ar₂, Kr₂ veya Xe₂ gibi soy gaz dimerleri olabileceği gibi daha yaygın olarak soy gazların ArF, KrF, XeF veya XeCl gibi bir halojenle birlikte kullanılmasıyla da olabilir. Bu lazerler, görece kısa dalga boyları sebebiyle (ArF için 193 nm, KrF için 248 nm) morötesi ışık üretir. Eksimer lazerler, mikroçip imalatı ile lazer anjiyoplasti ve göz cerrahisi gibi lazerle ameliyatlarda temel gereksinim olan mikrolitografi ve mikrofabrikasyon için kullanılır.
Bazı soy gazlar tıp alanında doğrudan kullanıma sahiptir. Helyum, bazen astım hastalarının solunumunu kolaylaştırmak için kullanılır. Ksenon, azot oksitten daha etkili olmasını sağlayan lipitlerdeki yüksek çözünürlüğü ve sağlayan vücuttan görece daha hızlı çıkarak daha hızlı iyileşmeyi sağlaması sebebiyle anestezik olarak kullanılır. Ksenon, hiperpolarize edilmiş manyetik rezonans görüntüleme yoluyla akciğerlerin tıbbi görüntülenmesinde kullanılır. Radon ise, görece yüksek radyoaktivitesi ve dakikalarla var olması nedeniyle radyoterapide kullanılmaktadır.