Jalokaasut

Jalokaasut ovat alkuaineita, joilla on uloimmalla elektronikuorellaan täysi oktetti, pois lukien helium, jonka ainoalle elektronikuorelle sopii vain kaksi elektronia. Elektronirakenteensa vuoksi ne eivät osallistu helposti kemiallisiin reaktioihin, ja ovat hajuttomia, palamattomia, mauttomia inerttejä kaasuja. Jaksollisessa järjestelmässä jalokaasut muodostavat ryhmän 18 (pääryhmä VIII), ja ne ovat taulukon äärimmäisessä oikeanpuoleisessa sarakkeessa. Jalokaasut ovat helium, neon, argon, krypton, ksenon, radon sekä keinotekoinen oganesson.

Historia

Helium 

Helium (, helios eli aurinko) löydettiin ensiksi maapallon ulkopuolelta, kun tähtitieteilijät Pierre Janssen ja Joseph Lockyer sekä kemisti Edward Frankland vuonna 1868 havaitsivat auringon spektrissä tuntemattoman alkuaineen spektriviivan, jota ei ollut aiemmin tunnettu. Tämä viiva näkyy vain täydellisen auringonpimennyksen aikana, ja sen aallonpituus oli 587,49 nm. Viiva nimettiin D3:ksi, sillä D2 ja D1 ovat natriumin viivoja.

Ensimmäisen kerran maan päällä heliumia eristi William Ramsay 23. maaliskuuta 1895, kun hän käsitteli mineraalia nimeltä cleveiitti, joka koostuu pääosin uraanidioksidista (UO2), rikkihapolla, ja erotti syntyvästä kaasusta typen ja hapen, hän arveli löytävänsä argonia, mutta havaitsikin spektrissä kirkkaan keltaisen viivan, joka vastasi auringosta löytynyttä D3 spektriviivaa. Samana vuonna Per Teodor Cleve ja ruotsalainen Abraham Langlet eristivät heliumia niin paljon että pystyivät määrittämään atomipainon, he löysivät sitä itsenäisesti saman aikaisesti kun Ramsay.

Vuonna 1907 osoitettiin, että ydinreaktioissa syntyvät alfahiukkaset ovat heliumytimiä.

Neon 

Neonin löysivät ensimmäisenä skottilainen kemisti William Ramsay ja englantilainen kemisti Morris Travers vuonna 1898. Se löytyi tutkimalla nesteytettyä ilmaa, melko pian kryptonin jälkeen. He eristivät höyrystyvän kaasun, ja spektroskopian avulla totesivat löytäneensä uuden jalokaasun. Neon on maailmankaikkeuden viidenneksi yleisin alkuaine vedyn, heliumin, hapen ja hiilen jälkeen. Vaikka neonia on runsaasti maailmankaikkeudessa, maapallon ilmakehässä sitä on vain 0,0018 %. Neon nimettiin kreikan kielen mukaan (, neos eli uusi).

Argon 

Argonin löysi brittiläinen kemisti Henry Cavendish vuonna 1785. Hän huomasi, että osa ilmasta oli reagoimatonta kaasua. Vuonna 1892 Lordi Rayleigh ja William Ramsay totesivat ilmasta eristetyn typen tiheyden olevan suurempi kuin ammoniakista synteettisesti valmistetun typen. Ramsay poisti ilmasta eristetystä kaasusta kaiken typen kuuman magnesiumin avulla, tehden siitä magnesiumnitridiä, ja jäljelle jäi kaasu, jonka spektrissä oli uusia punaisia ja vihreitä viivoja. Ilmakehä sisältää typen ja hapen jälkeen eniten argonia, jota on ilmassa 0,93 %. Argon on saanut nimensä kreikan kielestä ( eli inaktiivinen).

Krypton 

Krypton löytyi vuonna 1898, kun William Ramsay ja Morris Traves argonin löydettyään päättelivät että seuraava alkuaine olisi piilossa jäljelle jääneessä seoksessa. He onnistuivat 30. toukokuuta 1898 eristämään sitä nesteytys- ja haihtumisprosesseilla noin 25 cm³. He testasivat sen spektrometrillä, ja totesivat kyseessä olevan uusi, ennen löytämätön, alkuaine. He nimesivät sen kreikan kielen mukaan kryptoniksi (, kryptos, eli piilotettua tai kätkettyä).

Ksenon 

Ksenon löydettiin vuonna 1898. William Ramsay ja Morris Travers olivat aiemmin eristäneet neonin, argonin ja kryptonin nestemäisestä ilmasta ja miettivät sisältäisikö ilma vielä muita kaasuja. Varakas teollisuusmies Ludwig Mond antoi heidän käyttöönsä uuden koneen nestemäisen ilman käsittelyyn, ja he käyttivät sitä eristääkseen lisää harvinaista ksenonia. He erottivat yhä uudestaan raskaammat kaasut ja saivat lopuksi ksenonia niin paljon, että pystyivät tutkimaan sitä tyhjiöputkessa, jossa se antoi sinisen hehkun. He ymmärsivät löytäneensä vielä yhden jalokaasun. He nimesivät sen kreikan kielen mukaan ksenoniksi (, xenon eli outo). Myöhemmin, vuonna 1962, osoittautui, ettei ksenon ollutkaan niin inerttiä kuin muut jalokaasut. 

Ksenon on jalokaasuista harvinaisin. Sitä on ilmakehässä noin yksi osa kahdestakymmenestä miljoonasta.  Laskennallisesti ksenonia pitäsi kuitenkin olla ilmakehässä 20 kertaa enemmän kuin on havaittu. Marsin ilmakehään verrattuna näyttäisi siltä, että 95 % ksenonista on hävinnyt jonnekin Maan syntymisen jälkeen, Ei tiedetä, onko se kätkeytynyt maaperään, sitoutunut veteen vai hävinnyt maapallolta. 

Ksenonia eristetään nestemäisestä ilmasta kaupallisiin tarkoituksiin. Isotooppeja 133Xe ja 135Xe valmistetaan neutronisäteilyllä ilmajäähdytteisissä ydinreaktoreissa.

Radon 

Vuonna 1899 Ernest Rutherford ja Robert B. Owens tekivät havainnon, jonka mukaan torium tuottaa radioaktiivista kaasua. Samana vuonna Pierre ja Marie Curie havaitsivat radiumista lähtevän radonia. Vuonna 1900 Friedrich Ernst Dorn havaitsi, että ampulleihin suljettu radium tuottaa kaasua. He olivat ensimmäisiä, jotka tekivät havaintoja radonista. Pian löydettiin pitkäikäinen isotooppi 222radon, jonka puoliintumisaika on 3,8 vuorokautta. Se radon, jota Rutherford havaitsi, oli 220radon, joka puoliintumisaika on vain 56 sekuntia.

Vuonna 1900 Rutherford huomasi että uusi kaasu on mahdollista saada liukenemaan veteen. Vuonna 1908 William Ramsay ja Robert Whytlaw-Grey keräsivät niin paljon kaasua, että pystyivät määrittämään sen ominaisuuksia. He ilmoittivat sen olevan raskain löydetty kaasu. Maapallon ilmakehässä olevat radonpitoisuudet ovat alhaisia johtuen sen isotooppien lyhyistä puoliintumisajoista. 

Ensimmäiset radonin terveyshaitat tulivat ilmi, kun sitä louhittiin Yhdysvalloissa kylmän sodan aikana. Uraanikaivoksilla radonpitoisuudet olivat niin suuria, että ne olisivat edellyttäneet kunnollisen ilmastoinnin järjestämistä, jota myös turvallisuussäädökset edellyttivät. Kuitenkaan ei niiden toteutumista valvottu tai noudatettu kovinkaan tarkasti, ja suuret määrät kaivostyöläisiä sairastui keuhkosyöpään sekä muihin radonista aiheutuneisiin sairauksiin. 

Radonin vaaroihin havahduttiin vuonna 1984, kun Stanley Watras, joka oli työntekijänä ydinvoimalassa, meni töihin ja säteilymittarit hälyttivät. Hän ei ollut ollut missään tekemisissä polttoainesauvojen kanssa, ja kun säteilyn lähdettä tutkittiin, mentiin lopuksi hänen kotiinsa, jonka kellarista mitattiin korkea radonpitoisuus, noin 100 000 Bq, mikä oli 1 100 kertaa korkeampi kuin hyväksytty taso. Nykyään asuntojen kellareissa mitataan säteilymääriä radoninmittauspurkeilla jos epäillään että asunnossa saattaisivat radonin määrät olla suositeltavaa korkeampia.

Oganesson 

Ryhmän 18 viimeistä alkuainetta numero 118 (oganesson) pystyttiin valmistamaan kolmen atomin verran vuonna 2002. Oganessonilla on yksi tunnettu radioaktiivinen isotooppi,  294Og, jonka puoliintumisaika on 0,89 millisekuntia. Oganesson on kaikista raskain alkuaine, joka on onnistuttu valmistamaan.

Kemialliset ominaisuudet 
Yleisesti ottaen jalokaasut eivät reagoi kemiallisesti mitenkään. Jalokaasuyhdisteitä on pystytty kyllä saamaan aikaiseksi raskaammilla jalokaasuilla, argonilla, kryptonilla, ksenonilla ja radonilla, joiden ylemmät orbitaalit voivat luovuttaa elektroneja. Ainoastaan kryptonin, ksenonin ja radonin tiedetään muodostavan stabiileja yhdisteitä. 1990–2000-lukujen vaihteessa Markku Räsäsen johtama tutkimusryhmä löysi ensimmäisenä maailmassa argonyhdisteen, joka oli –265 °C:n lämpötilassa esiintyvä, mutta erittäin epästabiili argonfluorohydridi (HArF) Yhtäkään vakaata helium- tai neonyhdistettä ei ole kyetty valmistamaan.

Ksenonia sisältäviä yhdisteitä on pystytty syntetisoimaan useita erilaisia. Syntetisoituja ksenonin fluorideja ovat esimerkiksi XeF2, XeF4 ja XeF6. Näissä fluori toimii hapettimena eli ksenon on osittain positiivisesti varautunut. Ksenondifluoridi on epästabiili, herkkä ilmalle ja kosteudelle. Kaikki ksenonfluoridit on suojattava kosteudelta, jotta vältetään ksenonitrioksidin muodostuminen. Se on väritön ja haihtumaton kiinteä aine, joka on vaarallisen räjähtävä kuivana. Sen liuos on vakaa heikko happo, mutta vahva hapettava aine. Ksenon itsessään ei ole myrkyllinen, mutta sen yhdisteet ovat erittäin myrkyllisiä, koska ne ovat voimakkaita hapettavia aineita.

Fysikaaliset- ja atomiominaisuudet 
Jalokaasuilla on erittäin matalat sulamis- ja kiehumispisteet. Myös ryhmän raskaimmat aineet ovat normaaliolosuhteissa yksiatomisia kaasuja.

<div style="float: center; padding-left: 10px;">

* 25 bar paineessa.

Sovellukset 

Jalokaasuja käytetään valaistustekniikassa radioaktiivista radonia lukuun ottamatta. Ensimmäisen kerran neonvaloja käytettiin vuonna 1893 Chicagon maailmannäyttelyssä. Ne kuitenkin alkoivat yleistyä vasta 1910–1920-luvulla, kun ranskalainen insinööri Georges Claude alkoi tehdä niistä mainosvaloja. Fyysikko Heinrich Geissler kehitti 1857 Geisslerin putken, jossa umpinaiseen lasi­putkeen johdettu jalokaasu alkoi hohtaa, kun sen läpi johdettiin sähkövirta. Jokainen jalokaasu tuottaa erilaisen värisävyn tämän tyyppiseen loisteputkeen.
<div style="float: center; padding-left: 10px;">

Argonia käytetään myös suojakaasuna, kuten hitsauksessa tai hehkulamppujen sisäosissa estämässä hehkuvaa volframilankaa haihtumasta lamppujen sisäosissa. Ennen lamppujen sisäosaan luotiin tyhjiö, jotta hehkulanka ei palaisi poikki. Hehkulamppujen valon värisävyihin kaasuilla ei ole vaikutusta.

Ksenonpolttimoita on käytetty muun muassa majakoissa, elokuvaprojektoreissa ja autojen ajovaloina. Niissä ei ole hehkulankaa, joka saattaisi tärinästä hajota. Niissä on kaksi elektrodia, joiden välissä olevassa säiliössä kaasu on. Mukana on myös metallien suoloja kaasun ominaisuuksien muuttamiseksi sopivaksi. Valon sytyttäminen vaatii noin 25 000 voltin jännitteen, mutta syttymisen jälkeen jännitettä voidaan laskea. Ksenonpolttimon elektrodien välille muodostuva jännite-ero saa aikaan valokaaren, joka hehkuu kirkasta valoa kaasuseoksessa. Ksenonpolttimo ei tuota kylmänä sitä valomäärää minkä se tuottaa lämmettyään, mutta se on jo syttyessään kirkkaampi kuin esimerkiksi halogeenipolttimo.

Ionisoitunutta kryptonkaasua sisältävien lamppujen valo on valkoista. Kryptonkaasua sisältävät lamput ovat kirkkaita valkoisia valonlähteitä, jotka ovat hyödyllisiä suurnopeuskuvauksessa, salamavaloissa ja suuritehoisissa lentokenttävaloissa. Lentokenttien reunoilla ja lähestymisvaloina käytetään suuritehoisia kryptonlamppuja, jotka antavat voimakkaan valon. Kryptonkaasu yhdistettynä muihin kaasuihin voidaan lamppujen valon väriä muuttaa  vihreästä–keltaiseen. Kryptonkaasua käytetään inerttinä täyttökaasuna energiansäästölampuissa ja hehkulampuissa sekä myös laserissa, koska sillä on korkea valoteho spektrin punaisessa päässä.

Argonia ja kryptonia on käytetty myös eristyslasien välissä täytekaasuina.

Palamatonta ja ilmaa kevyempää heliumia käytetään helposti syttyvän vedyn sijaan usein ilmapalloissa, sääpalloissa ja kevyissä ilmalaivoissa kantokaasuna. Sillä on myös käyttöä puolijohteissa, kuituoptiikassa, tutkimuksessa, turvatyynyjen valmistuksessa, vuotojen etsinnässä sekä lämpö- ja pintakäsittelyssä sekä myös suojakaasuna, aivan niin kuin argoniakin. Nesteytetyllä heliumilla saadaan aikaan myös erittäin alhaisia lämpötiloja, joten sitä käytetään kylmälaboratorioissa suoritettavissa tutkimuksissa yleensä jäähdytysaineena kuten nestemäistä typpeä. Muista kaasuista poiketen helium pysyy nesteenä lähellä absoluuttista nollapistettäkin normaalipaineessa, koska sen nollapiste-energia on yksinkertaisesti liian suuri. Heliumin kiinteä olomuoto muodostuu vasta erittäin alhaisissa lämpötiloissa ja suuressa paineessa (2,5 MPa eli noin 25 bar ja 0,95 K). 

Sukelluksessa käytetään myös jalokaasuja. Tekniikkasukelluksessa käytetään argonia kuivapuvun täyttökaasuna sekä heliumin, typen että hapen erilaisia seoksia sukeltajantaudin välttämiseksi. Vaativassa saturaatiosukelluksessa, joka on käytössä etupäässä öljyteollisuuden rakennus- ja huoltotöissä, joita tehdään jopa 500 metrin syvyydessä, käytetään kaasuseoksia estämään sukeltajantautia.

Heliumia käytetään jäähdytysaineena MRI-laitteissa niiden suprajohdemagneettien jäähdytykseen. Neljännes vuosittain tuotetusta heliumista käytetään MRI-laitteissa. MRI-laitteita onkin yritetty kehittää pienempiruokaiseksi heliumin kulutuksessa. Myös hiukkaskiihdyttimet käyttävät suuria määriä heliumia isojen magneettiensa jäähdytykseen. Esimerkiksi Large Hadron Collider () Sveitsin ja Ranskan rajalla CERN:in tutkimuskeskuksessa sisältää 130 tonnia heliumia.

Heliumin uhkaava väheneminen  
Vuonna 1925 Yhdysvaltain hallitus äänesti strategisen kansallisen heliumvarauksen (National Helium Reserve, NHR) perustamisesta, ja sitä alettiin keräämään kansallisen heliumvarauksen varastoon vanhassa kaivoksessa Amarillossa, Texasissa, mahdollisen sodan varalta ilmalaivoissa käytettäväksi. Sellaista sotaa, jossa olisi tarvittu ilmalaivoja ei kuitenkaan koskaan tullut, mutta 1960 NASA alkoi Apollo-ohjelmassa käyttämään heliumia rakettipolttoaineen tekemisessä. Vuoteen 1995 mennessä varastoihin oli kerätty 800 miljardia litraa kaasua, ja kansallisen heliumvaraus oli velkaantunut 1,4 miljardin dollarin edestä. Järjestelmä päätettiin lopettaa vuonna 1996 ja suurin osa heliumista myytiin sen velkojen maksamiseksi. 

Helium on vedyn jälkeen kaikista runsain alkuaine, sitä on 23 % maailmankaikkeuden alkuaineesta, mutta sen enemmistö on keskittynyt tähtiin. Maapallolla sitä on tilavuusprosentteina on vain 5,2 miljoonasosaa (noin 0,0005 %) pääasiassa siksi, että suurin osa maapallon ilmakehässä olevasta heliumista pakenee avaruuteen sen inerttisyyden ja matalan massan vuoksi. Helium ei ole jakautunut ilmakehään tasaisesti, vaan sitä on eniten ilmakehässä heterosfäärissä. Melkein kaikki maan päällä oleva helium on radioaktiivisten, uraania ja toriumia sisältävien, mineraalien hajoamisen tulos. 

Heliumia tuotetaan fraktiotislauksella eli jakotislauksella maakaasusta jossa sitä saattaa olla jopa 7 %, mutta sitä ei ole tuotettu viime vuosina niin paljon. Yksi syy siihen, että öljy- ja maakaasuyritykset eivät ole halukkaita investoimaan heliumin erottelemiseen maakaasusta on se, ettei Yhdysvallat enää pidä sitä strategisena voimavarana. Tämä on johtanut sen pulaan maailmalla. Heliumista oli pulaa vuosina 2012–2013, koska joitakin isoja laitoksia oli pois käytöstä huoltojen vuoksi. On ennustettu, että nykyisillä käyttöasteilla kaikki helium tunnetuissa varannoissa kulutetaan vuoteen 2030 ja 2040 mennessä.

Lähteet

Aiheesta muualla 

 Physics Today: A beachhead on the island of stability 
 Atomifysiikan lukio-opetuksesta ja jalokaasujen tutkimisesta elektronispektroskopiaa käyttäen  (pdf)
 Ununoctium nykyisin Oganesson. 
 Säteilyturvakeskus: Radon

Jaksollinen järjestelmä
Seulonnan keskeiset artikkelit