Cēlgāzes (inertās gāzes): īpašības, piemēri un pielietojumi

Uzzini cēlgāzu īpašības, piemērus (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) un to pielietojumus apgaismošanā, rūpniecībā un zinātnē — skaidri, saprotami un ar attēliem.

Cēlgāzes ir elementu grupa, kas visi ir gāzes istabas apstākļos. Visas tās atrodas periodiskās tabulas 18. grupā un parasti ir ķīmiski mazreaktīvas. Katrs šis elements pastāv monoatomiskā veidā — tā "molekula" ir viens atoms — un tiem praktiski nav tiešas tendences veidot savienojumus ar citiem elementiem. Zemāk ir seši labi zināmi cēlgāzu elementi:

• hēlijs
• neons
• argons
• kriptons
• ksenons
• radons

Īpašības

• Elektronu konfigurācija: cēlgāzēm ir pilnīgs ārējais elektronu slānis, kas padara tās stabilas. Izņēmums ir hēlijs, kur ārējais (vienīgais) slānis ir pilns ar 2 elektroniem; pārējām cēlgāzēm tas ir pilns ar 8 elektroniem (oktets).
• Monoatomiskums: istabas apstākļos tās pastāv kā atsevišķi atomi, nevis diatomiskas vai poliatomiskas molekulas.
• Fizikālās īpašības: parasti bezkrāsainas, bez smakas un bez garšas, ar ļoti zemām viršanas un kušanas temperatūrām. Tām ir zema blīvuma un maza ķīmiskā reaktivitāte.
• Atmosfēras koncentrācija: kopā cēlgāzes veido aptuveni 0,96 % Zemes atmosfēras — lielāko daļu šīs daļas veido argons (~0,93 %), pārējais ir mazāk izplatītas gāzes (neons, hēlijs, kriptons, ksenons, radons ir daudz retāk sastopams).
• Radioaktivitāte: radons ir radioaktīvs un bīstams cilvēka veselībai; citiem cēlgāzu elementiem nav pastāvīgas radioaktivitātes parastajos izotopos.

Savienojumi un ķīmija

Lai gan tradicionāli cēlgāzes uzskatīja par pilnīgi nereaktīvām, mūsdienu ķīmija ir parādījusi, ka īpaši smagākās cēlgāzes (piemēram, ksenons un kriptons) spēj veidot savienojumus ar ļoti elektronegatīviem elementiem, piemēram, fluoru un skābekli. Pastāv dažādi ksenona fluorīdi (piem., XeF2, XeF4, XeF6), kā arī ksenona oksidi un kompleksi. Hēlija un neona stabilu savienojumu ļoti maz vai nav; ir zināmi eksperimentāli vai ļoti nestabili savienojumi vai uzbudinātas (eksitētas) stāvokļu kompleksi, kas parasti pastāv tikai speciālos apstākļos.

Iegūšana un izplatība

• Hēlijs: lielākoties iegūst no dabasgāzes laukiem, kur hēlijs koncentrējas kopā ar metānu un citiem gāzu maisījumiem. Hēlijs ir ierobežots resurss un tiek taupīts, jo to nevar viegli atjaunot no atmosfēras.
• Neons, argons, kriptons, ksenons: iegūst galvenokārt ar gaisa šķidro frakcionēšanu (šķidrinot gaisu un atdalot komponentus pēc vārīšanās temperatūras).
• Radons: rodas radioaktīvā urāna un torija sabrukšanas ķēdē, izdalās no augsnes un akmeņiem; to parasti nevar iegūt lielos daudzumos un tā koncentrācija ir lokāla.

Pielietojumi

Cēlgāzēm ir plašs lietojumu klāsts gan ikdienā, gan augsto tehnoloģiju nozarēs:

• Hēlijs: kriogēniskai dzesēšanai (piemēram, MRI magnētu dzesēšana), piepūšamās rotaļlietas un gaisa baloni, heliox (sarežģītās elpošanas terapijās un dziļūdens niršanā), noplūžu testēšanā, kā arī kā auksts, nereaktīvs darba apvidus laboratorijās.
• Neons: krāšņiem apgaismojuma signāliem un reklāmas lampām (neona reklāmas), dažās zemfrekvences lampās un indikatoros.
• Argons: izmanto kā aizsarggāzi metināšanā un tehniskajās telpās, gāzizturīgos vāros spuldzēs (fluorescējošās lampas, halogēnu spuldzes), kā arī laboratorijās inertā atmosfērā darbam ar reaģentiem, kas nedrīkst oksidēties.
• Kriptons: izmantots daļēji dārgās specializētās lampās, dažos fluorescences avotos un fotogrāfijas zibspuldzēs.
• Ksenons: intensīvās zibspuldzes, automašīnu priekšējās lukturu HID sistēmās, medicīniskās un kinoprojektoru lampās, kā arī kā dzinējsniegs (jonu dzinēji) kosmiskajās iekārtās. Ksenonam ir arī anestēzijas īpašības un to izmanto speciālās medicīniskās procedūrās.
• Radons: agrāk lietoja dažos medicīniskos terapijas veidos, tomēr tā radioaktivitātes dēļ šīs prakses ir ļoti ierobežotas un drošākas alternatīvas ir pieņemtas.

Drošība un vides aspekti

• Radons: ir ievērojams veselības risks kā iekštelpu gaisa piesārņotājs — ilgstoša iedarbība uz radonu paaugstina plaušu vēža risku. Ir ieteicamas reakcijas, lai samazinātu radona līmeni dzīvojamās telpās (ventilācija, blīvējumi).
• Saspiešanas un uzglabāšanas risks: kā ar citām spiediena gāzēm, uzglabāšana un pārvadāšana prasa atbilstošus drošības pasākumus, lai novērstu balonu/pudeļu bojājumus un sprādzienus.
• Resursu ilgtspēja: hēlija rezervju ierobežotība ir svarīgs faktors — to izmantot jāpārdomā un jācenšas atgūt, kur iespējams.

Savienojumi un īpaši piemēri

Lai gan parasti nerada savienojumus, ksenons un kriptons veido vairākus stabilus, sintezētus savienojumus ar fluoru un skābekli. Šie savienojumi ir nozīmīgi pētniecībā un speciālās ķīmiskās sintēzēs. Arī eksitētas cēlgāzu molekulas (piem., NeAr) un eksimēri ir svarīgi lāzertehnoloģijās (neona/argona lāzeri, KrF, XeCl utml.).

Vēsture

Cēlgāzes atklāja lords Reilijs (John William Strutt, Lord Rayleigh) un sers Viljams Ramsijs (Sir William Ramsay) pēdējo divu gadsimtu sākumā, atklājot jaunus, atmosfērā esošus elementus. 1904. gadā Reilijs saņēma Nobela prēmiju fizikā par darbu, kas saistīts ar gāzu atklāšanu, un Ramsijs tajā pašā gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā par darbu ar cēlgāzu atklāšanu un raksturošanu.

Ununoctijs (118. elements), iespējams, ir nākamais elements šajā grupā pēc radona — tas atrodas tajā pašā periodiskās tabulas kolonnā. Tomēr tā izotops ir ārkārtīgi īslaicīgs (pussabrukšanas periods aptuveni 0,89 ms), un elements sabrūk ātri, pārvēršoties smagākos produktos. Mūsdienās šim elementam ir piešķirts nosaukums (oganessons), bet tā īpašības un praktiskā pielietojamība ir ierobežotas, jo to iegūt ir ļoti grūti un to var ražot tikai nelielos daudzumos laboratoriju apstākļos.

Kopumā cēlgāzes ir nozīmīga ķīmijas un tehnoloģiju daļa — no vienkāršām reklāmas lampām līdz augsto tehnoloģiju lietojumiem kosmiskajās iekārtās un medicīnā. To īpašības — inerte, zemas vārīšanās temperatūras un monoatomiskums — nodrošina plašas pielietošanas iespējas, taču jārēķinās arī ar resursu ierobežojumiem (piem., hēlija) un drošības riskiem (piem., radons).

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir cēlgāzes?

J: Cik ir cēlgāzu?

J: Kur var atrast šīs cēlgāzes?

J: Vai no cēlgāzēm var veidoties savienojumi?

J: Kas notiek, ja aukstās katoda lampās izmanto cēlgāzi, lai iegūtu gaismu?

J: Kas atklāja cēlgāzes?

Kāds elements periodiskajā tabulā ietilpst 18. grupā pēc radona?

Meklēt pēc burta