גז אציל

קבוצה →  18 ↓ מחזור 1 2  He 2 10  Ne 3 18  Ar 4 36  Kr 5 54  Xe 6 86  Rn 7 118  Og+מפתח גז אציל סינתטי
גזים אצילים הם יסודות כימיים המשתייכים לטור השמיני ולקבוצה ה-18 בטבלה המחזורית, המקיימים מספר תכונות משותפות. יסודות אלה הם אל-מתכות והם מופיעים כגזים בתנאים סטנדרטיים.

מבחינה כימית, הגזים האצילים יציבים מאוד מכיוון שהם מכילים 8 אלקטרוני ערכיות בקליפת האלקטרונים החיצונית שלהם, שהוא המספר המקסימלי שהקליפה החיצונית יכולה להכיל (פרט להליום שבו 2 אלקטרונים בקליפה החיצונית). כתוצאה מכך הם ממעטים להשתתף בתגובות כימיות, ומכאן שמם. בתנאים סטנדרטיים, הגזים האצילים חסרי ריח, חסרי צבע ו. נקודות ההתכה והרתיחה של כל גז אציל קרובות אחת לשנייה, עם הפרש של פחות מ C° 10; כתוצאה מכך, הגזים האצילים מופיעים כנוזלים בטווח טמפרטורות קטן בלבד. הגזים האצילים מפגינים תגובתיות מועטה מאוד ולכן מאות אחדות בלבד של תרכובות שלהם יוצרו מתחילת 2008.

ששת הגזים האצילים הנמצאים בטבע הם: הליום (He), ניאון (Ne), ארגון (Ar), קריפטון (Kr), קסנון (Xe) והיסוד הרדיואקטיבי רדון (Rn). עד כה, שלושה אטומים נוספים של היסוד הבא בקבוצה, אוגאנסון (Og), יוצרו במאיץ החלקיקים, אך מעט מאוד ידוע על תכונותיו בשל הכמות המועטה שיוצרה וזמן מחצית החיים הקצר שלו. הגז האציל הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ הוא ארגון, המהווה 1.29% (משקלי) מהאטמוספירה. ניאון, ארגון, קריפטון וקסנון מתקבלים מהאוויר באמצעות ניזול גזים וזיקוק זעיר. הליום בדרך כלל מופרד מגז טבעי, ורדון לרוב מבודד מהדעיכה הרדיואקטיבית של תרכובות מומסות של רדיום. לגזים אצילים יש יישומים חשובים בתעשיות התאורה, הריתוך וחקר החלל. לעיתים קרובות הליום משמש במתקני נשימה לצלילה כתחליף לחלק מתערובת הנשימה. בנוסף, ההליום החליף את המימן בספינות אוויר מסוג צפלין ובבלוני חמצן, לאחר שהסיכונים שנגרמו עקב דליקותו של המימן התבהרו.

היסטוריה ואטימולוגיה

שמו האנגלי של הגז האציל, Noble gas, הוא פירוש של שם העצם הגרמני Edelgas, בו נעשה שמוש לראשונה בשנת 1898 על ידי הוגו ארדמן כשהתייחס לרמת התגובתיות הנמוכה בתנאים סטנדרטיים אצל רוב היסודות בקבוצה ה-18 בטבלה המחזורית. הגזים האצילים יוחסו בעבר לגזים אדישים, אך זוהי התייחסות לא מדויקת משום שחלק מהגזים האצילים משתתפים בתגובות כימיות.
קיומם של הגזים האצילים נצפה על ידי הטבלה המחזורית, אך כיוון שהגזים האצילים כמעט ואינם משתתפים בתגובות כימיות קיומם לא התגלה עד שלב מאוחר למדי בהתפתחות הכימיה המודרנית. ההליום התגלה לראשונה בשנת 1868 בניתוח ספקטוגרפי של אור השמש, אך קיומו באטמוספירת כדור הארץ לא הוכח עד 1895. כבר באמצע המאה ה-19 גילה הלורד ריילי כי צפיפותו של החנקן באוויר גדולה מזו של חנקן המופק מתרכובות כימיות, ושיער כי גידול זה נובע מהימצאותו של גז נוסף באוויר, שאינו משתתף בתגובות כימיות. הוא וויליאם רמזי הצליחו לבודד גז זה (ארגון) ולהוכיח את קיומם של הגזים האצילים, ועל כך אף זכו בפרס נובל.

בימינו, כל הגזים האצילים שקיומם נובע מהטבלה המחזורית התגלו ובודדו. האוגאנסון, בניגוד לגזים האחרים, אינו קיים בטבע ורק ב-2006 הוא סונתז בהצלחה. גז זה הוא רדיואקטיבי ולא יציב והאטומים שסונתזו בניסוי דעכו תוך כמה חלקיקי שנייה.

תכונות פיזיקליות ואטומיות
 תכונה הליום  ניאון  ארגון  קריפטון  קסנון  רדון מספר אטומי  2  10  18  36  54  86 רדיוס אטומי (pm)  130  160  192  198  218  – צפיפות (g/dm³)  0.1786  0.9002  1.7818  3.708  5.851  9.97 נקודת התכה (K)  0.95  24.7  83.6  115.8  161.7  202.2 נקודת רתיחה (K)  4.4  27.3  87.4  121.5  166.6  211.5 אנתלפיית אידוי (kJ/mol)  0.08  1.74  6.52  9.05  12.65  18.1 מסיסות במים ב C° 20 (cm3/kg)  8.61  10.5  33.6  59.4  108.1  230 אנרגיית יינון (kJ/mol)  2372  2080  1520  1351  1170  1037
לגזים האצילים יש קשרים בין-מולקולריים חלשים מאוד, וכתוצאה מכך יש להם נקודות התכה ורתיחה נמוכות מאוד. כל הגזים האצילים הם גזים חד-אטומיים בתנאים סטנדרטיים, כולל היסודות בעלי מסות אטומיות גדולות מאלה של יסודות מוצקים רגילים. ההליום הוא בעל תכונות ייחודיות בהשוואה ליסודות אחרים: נקודות ההתכה והרתיחה שלו נמוכות מנקודות ההתכה והרתיחה של כל חומר ידוע אחר; הוא היסוד היחיד שנראה כנוזל-על; הוא היסוד היחיד שלא יכול להפוך למוצק על ידי קירור מתחת לתנאים סטנדרטיים - כדי שהליום יהפוך למוצק חייב להתקיים לחץ של 25 אטמוספירות סטנדרטיות (2,500 kPa) בטמפרטורה של K 0.95 (C° 272.2-). לגזים האצילים עד לקסנון יש איזוטופים יציבים רבים. לרדון אין איזוטופים יציבים; האיזוטופ שלו שמתקיים בזמן הרב ביותר, 222Rn, הוא בעל זמן מחצית חיים של 3.8 ימים והוא דועך לצורה של הליום ופולוניום, שבסופו של דבר דועכת לעופרת.

300px|ממוזער|ימין|תרשים של אנרגיית יינון כנגד מספר אטומי. הגזים האצילים, המצוינים בתרשים, הם בעלי אנרגיות היינון הגבוהות ביותר בכל מחזור.
הרדיוסים של אטומי הגזים האצילים, כמו הרדיוסים של אטומי רוב הקבוצות, גדלים בהתמדה בכל מחזור עקב גדילת מספר האלקטרונים ורמות האלקטרונים. גודל האטום קשור לתכונות אחדות. לדוגמה, אנרגיית היינון קטנה ככל שהרדיוס גדל משום שככל שגז אציל גדול יותר, כך אלקטרוני הערכיות שלו מרוחקים יותר מהגרעין, ולכן הם פחות נמשכים אליו. הגזים האצילים הם בעלי אנרגיות היינון הגבוהות ביותר בכל מחזור; עובדה זו משקפת את יציבות תצורת האלקטרונים שלהם ואת הפגנת התגובתיות המועטה (יחסית) שלהם.

נוזל על
הליום הופך לנוזל רק בטמפרטורה נמוכה מאוד (4.2 קלווין) ואמנם בטמפרטורה של מתחת ל-2.171 קלווין הליום 4 הוא נוזל על: הוא מסוגל לזרום ללא חיכוך כלל (תופעה שממנה נגזרות תופעות פיזיקליות מפתיעות רבות אחרות). הליום-3 הופך לנוזל על בטמפרטורה נמוכה עוד יותר של 1 מילי קלווין.

תכונות נוספות
 תכונות פיזיקליות תכונה פיזיקלית  הליום  ניאון  ארגון  קריפטון  קסנון  רדון מוצק צפיפות, מוצק ב tp (g/dm³)  –  1444  1623  2826  3540  – מבנה גבישי  hcp  fcc  fcc  fcc  fcc  fcc נוזל צפיפות, נוזל ב bp וב-1 אטמוספירה (g/dm³)  125.0  1207  1393.9  2415  3057  4400 צפיפות, נוזל ב tp (g/dm³)  –  1247  1415  2451  3084  – מוליכות חום, נוזל ב bp (mW m−1 K−1)  31.4  129.7  121.3  88.3  73.2  – מקדם דיאלקטרי (נוזל)  1.055  1.53  –  –  –  – גז צפיפות, גז ב C° 0 וב-1 אטמוספירה (g/dm³)  0.1786  0.9002  1.7818  3.708  5.851  9.97 צמיגות דינמית (kPa×s)  186  297  210  233  211  – מוליכות חום ב C° 0 (J s−1 m−1 K−1)  0.1418  0.0461  0.0169  0.00874  0.00506  – מהלך חופשי ממוצע בתנאים סטנדרטיים (nm)  192.66  135.36  68.33  52.34  37.88  – מסיסות במים ב C° 20 (cm3/kg)  8.61  10.5  33.6  59.4  108.1  230 רגישות מגנטית (יחידות cgs למול)  0.0000019-  0.0000072-  0.0000194-  0.000028-  0.000043-  – קיבול חום, Cp, גז ב-1 אטמוספירה (J mol−1 K−1)  20.78  20.79  20.85  20.95  21.01  21 מהירות הקול ב C° 0 ו-1 אטמוספירה (m/s)  973  433  307.8  213  168  – מוליכות חום, גז ב C° 0 ו-1 אטמוספירה (mW m−1 K−1)  141.84  46.07  16.94  8.74  5.06  – שבירה מולרית (D line, cm3)  0.521  1.004  4.203  6.397  10.435  – מקדם דיאלקטרי (גז)  1.0000684  1.000545  1.000127  –  –  – גז ואן דר ואלס a (L2bar/mol2)  0.03412  0.2107  1.345  2.318  4.194  – גז ואן דר ואלס b (L/mol)  0.02370  0.01709  0.03219  0.03978  0.05105  –

 תכונות אטומיות תכונה אטומית  הליום  ניאון  ארגון  קריפטון  קסנון  רדון מספר אטומי  2  10  18  36  54  86 מסה אטומית יחסית  (2)4.002602  (6)20.1797  (1)39.948  (1)83.80  (2)131.29  (222) מספר איזוטופים טבעיים  2  3  3  6  9  (1) קליפה חיצונית (תצורת אלקטרונים)  1s2  2s22p6  3s23p6  4s24p6  5s25p6  6s26p6 קוטביות סטטית (Å3)  0.204  0.392  1.63  2.465  4.01  –

תכונות כימיות
היציבות הגבוהה של הגזים האצילים נובעת מכך שהאורביטלים החיצוניים שלהם (s ו p) מלאים לגמרי. כפי שמתקבל מתורת הקוונטים, הערכות אלקטרונית זו היא בעלת אנרגיה נמוכה מאוד, ולכן יציבה מאוד. הערכות אלקטרונית כזו גוררת אנרגיית יינון גבוהה מאוד וזיקה אלקטרונית נמוכה מאוד, המקשות על יצירת קשר כימי עם אטומים אחרים. לכן הגזים האצילים מופיעים בטבע כמעט רק בצורה של גז חד אטומי, ולא מתרכבים עם יסודות אחרים. למעשה, ניתן להסביר רבות מן התופעות הכימיות בטבע על ידי הנטייה של אטומים להגיע להערכות אלקטרונית של גז אציל.

היות שכוחות המשיכה הבין-מולקולריים (ליתר דיוק - הבין אטומיים) חלשים מאוד, הגזים האצילים נמצאים במצב צבירה גזי (חד-אטומי) בטמפרטורת החדר ונקודות ההתכה והרתיחה שלהם נמוכות מאוד. בגלל חולשת הקשרים, גם הגזים האצילים הכבדים ביותר, כגון רדון וקסנון הם גזים בטמפרטורת החדר, על אף שמשקלם האטומי גדול פי כמה מזה של יסודות אחרים, הנמצאים במצב מוצק בתנאים רגילים.

על אף שהגזים האצילים כמעט ואינם מגיבים, קיימות תרכובות מעטות של גזים אציליים. רק הגזים האצילים הכבדים יותר מסוגלים ליצור תרכובות, שכן אצלם האורביטלות החיצוניות רחוקות מהגרעין, וביניהן לבין הגרעין מצויות אורביטלות נוספות היוצרות מיסוך, וכך מקטינות את אנרגיית היינון. כבר ב-1933 חזה פאולינג את קיומן של תרכובות בין הגזים האצילים הכבדים יותר וחמצן או פלואור. בפרט, הוא חזה את קיומם של XeF6, וKrF6, והחומצה H2XeO4. לימים הסתבר כי KrF6 אינו יציב כלל, אך XeF6 ו H2XeO4 יוצרו בהצלחה ונמצאות בשימוש מדעי ותעשייתי כיום. מספר תרכובות שבהן משתתפים גזים אצילים לדוגמה:
 קסנון עם פלואור, יוצר את התרכובות XeF2 XeF4, ו-XeF6. בנוסף, קסנון יוצר את החומצה H2XeO4 המשמשת כמחמצן יעיל וחסר עקבות.
 רדון מתרכב עם פלואור לתרכובת RnF.
 קריפטון מתרכב עם פלואור לתרכובת KrF2.
 בשנת 2002 התגלו תרכובות של אורניום עם ארגון, קריפטון וקסנון.

שימושים
השימוש הנפוץ ביותר של גזים אצילים הוא בתאורה.

ניאון פולט אור כתום-אדמדם כאשר הוא מעורר בשפופרת, ונפוץ מאוד בשימוש בשלטי פרסומות.

ארגון וקריפטון משמשים למילוי נורות להט כיוון שאינם מגיבים עם התיל הלוהט ושומרים עליו מחמצון.

הליום, הודות למשקלו הקל ואדישותו הכימית (בניגוד למימן, שהוא דליק מאוד) משמש לעיתים למילוי צפלינים וכדורים פורחים. שימוש זה חשוב כיוון ששימוש במימן הוא מסוכן. כמות גדולה שכזו יכולה להתלקח ולהתפוצץ, כפי שקרה באסון הינדנבורג.

ארגון משמש רבות לריתוך, כאשר הוא מוזרם מסביב לאלקטרודה בזמן הריתוך למניעת חמצון על ידי חנקן או חמצן בטמפרטורות הגבוהות בהן מתבצע התהליך.

קסנון משמש במבזקים אלקטרוניים במצלמות ובמערכות אזעקה בטיחותיות ובנורות למקרני קולנוע וכן בזרקורים.

 ראו גם 
 קבוצה (כימיה)

קישורים חיצוניים




הערות שוליים

*
אציל
קטגוריה:כימיה
קטגוריה:קבוצת יסודות