Właściwości i zastosowanie gazów szlachetnych

Gazy szlachetne (helowce) leżą w 18 (VIIIA) grupie układu okresowego pierwiastków. Należą do niej: hel (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), ksenon (Xe), oraz radon (Ra).
Gazy szlachetne nie reagują chemicznie ani ze Sobą, ani z jakimikolwiek innymi substancjami i różnią się tym wyraźnie od wszystkich pozostałych pierwiastków. W układnie okresowym tworzą one osobną grupę zerową, której istnienie przewidział N.Morozow.
Helowce są niemal całkowicie niereaktywne i pierwsze dwa z nich nie tworzą żadnych związków chemicznych. Przyczyna tego jest to, że nie zawierają one żadnych, niezapełnionych w pełni elektronami orbitali, które mogłyby uczestniczyć w tworzeniu wiązań chemicznych. Znany jest jeden związek argonu otrzymywany w temperaturze około 40K.
Gazy szlachetne w odróżnieniu od innych pierwiastków gazowych występują w cząsteczkach jednoatomowych. Wszystkie są bezbarwne, bezwonne i bez smaku. Ich rozpuszczalność wzrasta w kierunku helu do radonu. Mianowicie w 100 objętościach wody rozpuszcza się w 0C w przybliżeniu 1 objętość helu, 6 objętości argonu, 50 objętości radonu. Gazy szlachetne znacznie szybciej rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych takich jak alkohol i benzyna.
Odkrycie gazów szlachetnych nastąpiło w 1893 roku. Zwrócono wtedy uwagę na niezgodność gęstości azotu z powietrza i azotu otrzymanego w drodze chemicznej w wyniku rozkładów związków zawierających azot. Dokładne badania składu powietrza przeprowadzone w wyniku wyjaśnienia tego faktu wyjaśniły,że po całkowitym usunięciu tlenu i azotu powstaje około 1% reszta, która nie wchodzi w żadne reakcje chemiczne. Nowo odkryty gaz nazwano Argonem.
Argon został wykorzystany do procesów chemicznych potrzebujących nie reaktywnej atmosfery, jeśli nawet atmosfera azotu byłaby zbyt reaktywna. Z tego samego powodu jest jednym z podstawowych gazów (obok dwutlenku węgla) stosowanych w spawaniu w atmosferze ochronnej. Jego zaletą jako atmosfery ochronnej jest też jego większa gęstość od gęstości powietrza, dzięki czemu nie jest wypierany z nieszczelnej aparatury, lecz "ścieli" się na jej dnie. Jest najtańszym i najłatwiej dostępnym gazem szlachetnym. Używa się go też w żarówkach i lampach jarzeniowych, a dzięki niższej od powietrza przewodności cieplnej, podobnie jak krypton, wykorzystywany jest do wypełniania szyb zespolonych w nowoczesnych oknach. Argonem są wypełniane dyski twarde komputerów, w celu mniejszego zużycia się talerzy i głowicy czytającej. W elektronice stosuje się go do napełniania tyratronów i liczników promieniowania jonizującego. Jeśli chodzi o znaczenia biologiczne to nie posiada żadnego.
Następnym odkrytym gazem szlachetnym był hel ,którego wcześniej odkryto na słońcu. Na Ziemi po raz pierwszy stwierdzono jego występowanie w gazach wydzielających się przy ogrzewaniu kieleitu jednak najczęściej można go spotkać w atmosferze. Pochodzi głównie z rozpadu jąder promieniotwórczych w naturalnych szeregach promieniotwórczych. Hel jest składnikiem większości gwiazd i drugim po wodorze pierwiastkiem, jeżeli chodzi o rozpowszechnienie w całym Wszechświecie. Powstaje w gwiazdach w wyniku syntezy termojądrowej przemieniającej wodór w hel z wydzieleniem ciepła i światła.
Hel w postaci ciekłej jest używany do chłodzenia tam, gdzie potrzebne są bardzo niskie temperatury, ze względu na jego bardzo niską temperaturę wrzenia. Stosuje się go m.in. do chłodzenia nadprzewodników. Jako najlżejszy gaz bezpieczny (niepalny) był stosowany tez do wypełniania statków powietrznych lżejszych od powietrza czyli aerostatów (balony, sterowce). Obecnie ze względu na wysokie koszty jego pozyskania, zamiast helu stosuje się w aerostatach najczęściej ogrzane powietrze. Ze względu na jego niską rozpuszczalność w osoczu krwi, używany jest jako składnik mieszanki do oddychania w głębokim nurkowaniu.
Hel dostarczony do płuc powoduje zmianę wysokości głosu - prędkość rozchodzenia się dźwięku w helu jest ok. 3 razy większa niż w powietrzu.
Po upływie kilku lat od odkrycia argonu i helu odkryto jeszcze trzy gazy szlachetne: neon, krypton i ksenon. Bardzo trudno było je odkryć. Są one bardzo małym składnikiem powietrza.
Neon stosowany jest w lampach jarzeniowych dla uzyskania czerwono-pomarańczowego światła. Lampy napełnione neonem stosuje się w reklamach świetlnych, do wykrywania wysokiego napięcia, jako lampy kineskopowe w odbiornikach telewizyjnych. Ciekły neon jest produktem dostępnym w handlu i znajduje szerokie zastosowanie jako wydajne i zarazem ekonomiczne chłodziwo. Jego zdolność chłodząca jest 40 razy większa (na jednostkę objętości) od ciekłego helu i 3 razy większa od ciekłego wodoru.
Krypton jest stosowany przede wszystkim w produktach oświetleniowych -w mieszaninie z argonem używa się go w lampach fluorescencyjnych. Bardzo istotnym zastosowaniem kryptonu są lampy stroboskopowe używane na pasach startowych lotnisk. Izotop kryptonu 85Kr znalazł zastosowanie w radio analizie chemicznej i w medycynie (w terapii antynowotworowej). Krypton jest używany także w lampach fotograficznych. Jego zastosowania ograniczone są jego ceną ? 1dm3 tego gazu kosztuje ok. 30 dolarów. Cena ta jest spowodowana tym, że jest bardzo rzadkim gazem szlachetnym.
Ksenon jest ciężkim gazem szlachetnym. Jego zastosowanie sprawdziło się w produkcji działek elektronowych, lamp stroboskopowych, antybakteryjnych i lamp używanych do konstrukcji laserów wysokiej mocy. Tlenki ksenonu są używane w chemii analitycznej jako czynniki utleniające.
Ostatni z gazów szlachetnych - radon został odkryty w 1900 roku podczas badań nad różnymi materiałami.
Radon stosuje się w medycynie do leczenia zachorowań związanych z przemianą materii, chorób stawów i obwodowego układu nerwowego (kąpiele radonowe - z naturalnych wód zawierających radon lub nasycanych nim sztucznie). Wykrywanie radonu odgrywa dużą rolę w geologii przy poszukiwaniu rud uranu. Radon występuje w niektórych wodach mineralnych a także w niektórych źródłach mineralnych w bardzo niewielkich ilościach.
W czasie chłodzenia radonu poniżej temperatury zamarzania wykazuje on brylantową fosforescencję, która w miarę obniżania temperatury przechodzi w żółtą a następnie w pomarańczowo-czerwoną (w temperaturze ciekłego tlenu).
Radon może jednak stanowić zagrożenie dla zdrowia człowieka, bowiem gromadzi się w budynkach mieszkalnych, zwłaszcza w piwnicach, przedostając się tam z gleby w wyniku różnicy ciśnień (efekt kominowy). Dotyczy to zwłaszcza podłoża granitowego, zawierającego większe ilości uranu w swoim składzie niż Np. skały osadowe. Szkodliwość radonu jest wynikiem stosunkowo szybkiego jego rozpadu, prowadzącego do powstania kilku krótko życiowych pochodnych, również radioaktywnych, emitujących promieniowania alfa. Ich zatrzymanie w płucach będzie powodować uszkodzenia radiacyjne, prowadzące do rozwoju choroby nowotworowej.