شیمی , علوم پایه 4605 بازدید

آیا تا به حال به چگونگی عملکرد لامپ نئون چراغ خودرو خود یا فلش زنون دوربین عکاسی دقت کرده‌اید؟ به بادکنک‌های پر شده از گاز هلیوم چطور؟ احتمالاً عنوان گاز نجیب به گوشتان آشنا باشد، اگر علاقه‌مند هستید تا بیشتر با انواع این گاز‌ها و خصوصیاتشان آشنا شوید، با ما در ادامه این مقاله همراه باشید تا به زبانی ساده به معرفی آن‌ها بپردازیم.

آخرین گروه جدول تناوبی

اگر نگاهی به جدول تناوبی عناصر انداخته باشید، ۷ عنصر را در آخرین گروه (از سمت چپ، گروه ۱۸ – VIIIa) می‌بینید. این ۷ گاز (البته گازی شکل در دمای اتاق) به ترتیب از بالا به پایین بر اساس افزایش عدد اتمی عبارت‌اند از:

  • هلیوم (Helium) با نماد He با عدد اتمی ۲
  • نئون (Neon) با نماد Ne با عدد اتمی ۱۰
  • آرگون (Argon) با نماد Ar با عدد اتمی 18
  • کریپتون (Krypton) با نماد Kr با عدد اتمی 36
  • زنون (Xenon) با نماد Xe با عدد اتمی 54
  • رادئون (Radon) با نماد Rd با عدد اتمی 86
  • اگانسون (Oganesson) با نماد Og با عدد اتمی 118 (سنگین‌ترین عنصر جدول تناوبی)
جدول تناوبی
شکل (۱): جدول تناوبی عناصر، گروه ۱۸ از این جدول به گازهای نجیب معروف‌اند. اخیراً در سال 2017 عنصر اگانسون (Og) با عدد اتمی 118 به این گروه اضافه شده است.

گاز نجیب (Noble Gas) بی‌رنگ، بی‌بو، بدون مزه و غیر قابل اشتعال است. تا چندین دهه پس از کشف این عناصر، به طور سنتی به آن‌ها عناصر گروه صفر جدول تناوبی می‌گفتند؛ چرا که معتقد بودند این گاز‌ها نمی‌توانند با دیگر اتم‌ها پیوندی برقرار کنند و یا با دیگر ساختارهای شیمیایی واکنش داده و ترکیب شوند. از آنجا که عناصر این گروه به سختی با دیگر عناصر تشکیل پیوند می‌دهند، نام گاز‌های نجیب برای آنان نیز انتخاب شد. با پیشرفت علم و کامل شدن مدل‌های اتمی، ساختار الکترونی و همچنین ظهور برخی کاربردها، واژه مناسب‌تر گروه ۱۸ به آن‌ها اطلاق شد.

اگانسون
شکل (2): عنصر اگانسون با عدد اتمی 118 که در سال 2002 توسط لوری اگانسون کشف و مشاهده شد، در سال 2017 به طور رسمی در گروه 18 جدول تناوبی عناصر جای گرفت.

احتمالاً عنوان گازهای نادر را نیز شنیده‌اید. در آن زمان به نظر کاشفان، این گاز‌ها در جهان بسیار نادر و همچنین از لحاظ شیمیایی خنثی بودند (ترکیب نمی‌شدند). به همین دلیل این عناصر را گاز‌های نادر (Rare Gases) یا گاز‌های راکد (Inert Gases) نام‌گذاری کردند. امروزه می‌دانیم که این عناصر در جهان هستی فراوان هستند، از این حیث کلمه نادر می‌تواند گمراه کننده باشد. همچنین کلمه Inert این مفهوم را می‌رساند که عناصر این گروه نمی‌توانند ترکیبات شیمیایی را ایجاد کنند، پس بهتر است که از این کلمه نیز استفاده نکنیم. در علم شیمی، برای فلزاتی نظیر طلا و پلاتین که تمایلی به واکنش شیمیایی ندارند، کلمه نجیب استفاده می‌شود. پس بهتر است که برای این عناصر گازی شکل که تمایلی به ترکیب و یا واکنش شیمیایی ندارند، نیز کلمه نجیب را به کار بریم. دلیل این عدم تمایل به ایجاد پیوند را می‌توان در آرایش الکترونی این عناصر که در شکل زیر آمده است، جستوجو کرد. همان‌طور که مشخص است اوربیتال‌های لایه آخر (ظرفیت) این عناصر از الکترون پر بوده و از این حیث پایدارند.

آرایش الکترونی
شکل (3): آرایش الکترونی عناصر گروه ۱۸ از جدول تناوبی

فراوانی گاز‌های نجیب با افزایش عدد اتمی آن‌ها کاهش پیدا می‌کند. هلیوم نیز همانند هیدروژن یکی از فراوان‌ترین عناصر جهان هستی است. دیگر عناصر گروه 18 جدول تناوبی جز رادئون (Rn)، در هوایی که تنفس می‌کنیم، یافت می‌شوند. با سرد کردن هوا تا نقطه انجماد این گاز‌ها، تقطیر و جداسازی، می‌توان به آن‌ها دست پیدا کرد. البته دست‌یابی به هلیوم (He) به دلیل سبکی و رفتن به سمت لایه‌های بالایی جو دشوار است. اکثراً هلیوم را به طور تجاری از چاه و منابع گاز طبیعی به دست می‌آورند.

رادئون (Rn) نیز معمولاًِ حاصل تجزیه رادیواکتیو عنصر رادیوم (Radium) با عدد اتمی ۸۸ است. هسته اتم رادیوم (Ra) به صورت خودبه‌خودی با تابش ذره و انرژی فرو می‌ریزد. ذره تابش شده هسته‌های هلیوم ($$He^{2+}$$) بوده که به ذره آلفا نیز معروف است. با تابش ذره آلفا، در واقع هسته‌ هلیوم با عدد اتمی ۲، از تعداد پروتون و نوترون‌های رادیوم (Ra) کم شده و در نتیجه تبدیل به اتم رادئون (Rn) می‌شود.

رادیوم - رادئون
شکل (4): هسته رادیواکتیو و ناپایدار اتم رادیوم با تابش ذره آلفا (هسته هلیوم) به هسته رادئون تبدیل می‌شود.

هسته‌ اتم‌های سنگین و رادیواکتیو پس از تجزیه و فروپاشی ۳ نوع تابش از خود بر جای می‌گذارند. این ۳ نوع تابش در شکل (5) نشان داده شده است.

انواع تابش
شکل (5): هسته‌های سنگین و ناپایدار (رادیواکتیویته) می‌توانند سه نوع تابش انجام دهند. دقت شود که ذره آلفا، هسته اتم هلیوم است (هلیوم بدون الکترون).

ویژگی‌های گاز نجیب

ویژگی‌های فیزیکی گاز نجیب نظیر چگالی، الکترونگاتیوی، آنتالپی تبخیر و … در جدول زیر خلاصه شده‌اند:

ویژگی گازهای نجیب

کاربرد گاز نجیب

مطابق با جدول تناوبی عناصر، هر عنصر گاز نجیب بین گروه 17 (هالوژن‌ها) و گروه ۱ (فلزهای قلیایی) قرار گرفته‌ است. در واقع عناصر گازی شکل گروه 18، بین الکترونگاتیوترین (Electronegative) عناصر (گروه ۱۷ – هالوژن‌ها) و الکتروپوزیتیوترین (Electropositive) عناصر (گروه ۱ – فلزات قلیایی) جای گرفته‌اند. لازم به ذکر است که الکترونگاتیوی یک اتم به معنی تمایل نسبی آن برای جذب الکترون به سمت هسته خود است. پس هر چه تمایل یک عنصر به گرفتن الکترون بیشتر باشد، الکترونگاتیوتر است. الکتروپوزیتیوی نیز مفهومی عکس دارد. پس بی‌دلیل نیست که عناصر گروه ۱۸ تمایلی به اشتراک گذاشتن الکترون‌های خود و ایجاد پیوند ندارند.

از آنجا که گازهای نجیب تمایلی به ایجاد پیوند ندارند، نسبت به اکسیژن بی‌تفاوت بوده و لذا اشتعال‌پذیر نیستند. این خاصیت به نوبه خود می‌تواند دارای کاربردهای فراوانی باشد. گازهای نجیب، به دلیل عدم واکنش در بسیاری از فرآیندها نظیر جوشکاری، برش و لایه‌نشانی در صنعت و کاربردهایی پزشکی نظیر ضد عفونی کردن زخم، اغلب در مهندسی پلاسما به کار می‌روند.

کاربردهای پلاسما
تصویر (6): تصاویری از کاربردهای پلاسما (گاز یونیزه شده). در این تصاویر از گاز آرگون (Ar) برای تشکیل پلاسما استفاده شده است. سمت چپ یک برش دهنده پلاسما، تصویر وسط یک پلاسما جت جهت کاربردهای پزشکی و تصویر سمت چپ فرآیند لایه‌نشانی به کمک پلاسما را نشان می‌دهد.

در فرآیندهای صنعتی که به وسیله پلاسما (گاز یونیزه شده) انجام می‌شوند، از گازهای نجیب نظیر آرگون (به دلیل قیمت کمتر) برای تولید پلاسما استفاده می‌شود. همان‌طور که در تصاویر مشخص است، پلاسمای آرگون طیفی بنفش دارد. در واقع با اعمال اختلاف پتانسیل و تبدیل شدن گاز آرگون به پلاسما، اتم‌های برانگیخته آرگون فوتونی در فرکانس (رنگ) بنفش تابش می‌کنند.

رنگ گازهای نجیب
تصویر (7): لامپ‌های تخلیه الکتریکی پر شده از گازهای نجیب. نور تابش شده از هر عنصر، فرکانس (رنگ) متفاوتی دارد.

از دیگر کاربردهای گاز های نجیب می‌توان به جذب و انتشار تابش الکترومغناطیسی اشاره کرد. از این خاصیت در لامپ‌های تخلیه الکتریکی و دستگاه‌های روشنایی نظیر لامپ‌های پرنور فلورسنت (Fluorescent)، چراغ خودروها، تابلوهای تبلیغاتی و … استفاده می‌کنند. اگر یک گاز نجیب در فشار کم در یک محفظه شیشه‌ای محدود شود، با اعمال ولتاژی متناسب با فشار گاز درون محفظه، الکترون‌های اتم‌های گاز برانگیخته شده (تشکیل پلاسما) و با تابش فوتونی در فرکانس (رنگ) خاص به حالت پایه بر می‌گردند. با اعمال پیوسته ولتاژ می‌توانیم نور پیوسته‌ای نظیر آنچه در تابلوهای تبلیغاتی مشاهده می‌کنید، داشته باشیم.

نقطه جوش و انجماد گاز نجیب
شکل (8): نقطه جوش و انجماد گازهای نجیب بر حسب درجه سانتی‌گراد

از نقطه جوش بسیار کم و نقطه ذوب پایین این عناصر، می‌توان در مطالعه ماده در دماهای پایین بهره جست. یکی از کاربردهای قابل توجه از هلیوم مایع، خنک‌سازی قطعات ابررسانا در دستگاه‌های MRI پیشرفته است.

MRI
تصویر (9): هلیوم مایع نشت کرده از یک دستگاه MRI. از هلیوم مایع برای خنک‌سازی قطعات ابررسانا و سایر ادوات الکترونیکی درون دستگاه استفاده می‌کنند.

مخلوط کردن هلیوم در کپسول‌های اکسیژن برای تنفس بهتر غواصان نیز می‌تواند مفید باشد. چرا که هلیوم با خون واکنشی نداشته، تشکیل حباب نمی‌دهد و به راحتی از بدن دفع می‌شود. همچنین از زنون نیز علی‌رغم قیمت بالای آن، به عنوان یک گاز بیهوشی استفاده می‌کنند. چرا که غیر قابل اشتعال بوده، واکنشی با خون ندارد و به راحتی از بدن دفع می‌شود. رادئون نیز عنصری سنگینن و رادیواکتیویته است و کاربردهای محدودی در پرتو پزشکی و درمان سرطان دارد.

پرتو درمانی
شکل (10): از رادئون (Rn) در فیزیک پزشکی (پرتو درمانی) استفاده می‌کنند.

اگانسون (Og) که سنگین‌ترین عنصر جدول تناوبی است، در آزمایشگاه به طور محدودی مشاهده شده و طول عمر بسیار کوتاهی دارد. در نتیجه خواص فیزیکی و شیمیایی آن به طور دقیق مشخص و مستند نیست. به دلیل بالابودن عدد اتمی که به منزله زیاد بودن تعداد پروتون‌ها است، نیروی دافعه بین بارهای مثبت بر نیرو هسته‌ای قوی قلبه کرده و هسته عنصر اگانسون شکلی شبیه به حباب دارد. این عنصر به افتخار کاشف آن «یوری اگانسون» (Yuri Oganessian) به همین نام در جدول تناوبی عناصر در سال 2017 قرار گرفت.

Yuri Oganessian

در صورتی که مطلب بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

اشکان ابوالحسنی (+)

«اشکان ابوالحسنی» دانشجو مقطع دکتری واحد علوم و تحقیقات تهران در رشته مهندسی برق مخابرات، گرایش میدان و امواج است. علاقه خاص او به فرکانس‌های ناحیه اپتیکی و مکانیک کوانتومی باعث شده که در حال حاضر در دو زمینه‌ مخابرات نوری و محاسبات کوانتومی تحقیق و پژوهش کند. او در حال حاضر، آموزش‌هایی را در دو زمینه فیزیک و مهندسی برق (مخابرات) در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 4 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

برچسب‌ها