الغازات الخاملة

غازات خامله

Inert gases - Gaz inertes

الغازات الخاملة

يطلق اسم الغازات الخاملة inert gases، أو النادرة rare، أو النبيلة noble على مجموعة الغازات الكائنة في الفصيلة الرئيسية الثامنة (أو الفصيلة 18) إلى أقصى اليمين في الجدول الدوري. وهذه الغازات هي: الهليوم He، والنيون Ne، والأرغون Ar، والكريبتون Kr، والزينون Xe، والرادون Rn وهو عنصر جميع نظائره مشعة. الهليوم أخف هذه العناصر، وغير نادر؛ إذ إنه يأتي بعد الهدروجين من حيث وفرته في الكون، إلا أنه نادر في جو الأرض لأن حقل ثقالتها الصغير غير كاف لجذب هذا الغاز الخفيف. ومجموعة هذه الغازات تكوِّن نحو 1% من الجو الأرضي (الجدول 1) ولهذا دعيت الغازات النادرة.

يعود تاريخ اكتشاف هذه العناصر إلى عام 1785 عندما مرّر الكيميائي (والفيزيائي) الإنكليزي هنري كافنديش H. Cavendish شرارة كهربائية عدة مرات في أنبوب يحوي هواءً مضافاً إليه بعض الأكسجين. مرّر الغازَ الناتج وهو ثنائي أكسيد الآزوت NO₂ في محلول قلوي (قاعدي) لامتصاصه، فبقي معه غاز يختلف عن الأكسجين وعن الآزوت. وقد عرف فيما بعد أن هذا الغاز الباقي هو مزيج من الغازات النادرة.

قاس الفيزيائي الإنكليزي اللورد رايلي, Lord John William Strutt, Rayleigh، عام 1890، كثافة بعض الغازات الشائعة ووجد أن كثافة عيّنة من الآزوت (النتروجين) N₂ مأخوذة من الهواء تختلف قليلاً عن كثافة الغاز نفسه المحضر من النشادر NH₃. وعندما أزيح النتروجين من عينة «النتروجين الجوي» بتفاعله مع المغنزيوم وتشكيله نتريد المغنزيوم (التفاعل 1 في جدول التفاعلات)، وجد رايلي ورامزي William Ramsay كمية صغيرة جداً من غاز أحادي الذرة ذي كثافة أعلى بكثير سمي الأرغون؛ والكلمة تعني باليونانية «الكسول» دلالة على خموله الكيمياوي. واقترح رامزي أن هذا العنصر، والعنصر الذي كان مكتشفاً حديثاً آنذاك (وهو الهليوم) ينتميان كلاهما إلى فصيلة جديدة كلياً في الجدول الدوري. ويبين الجدول (1) تركيب الهواء الجوي الجاف.

ويعزى وجود الأرغون بكميات كبيرة، نسبياً، في الهواء (إذا ما قورن بباقي غازات الفصيلة) إلى أن الأرغون ذا العدد الكتلي 40 يتشكل من تفكك البوتاسيوم المشع ذي العدد الكتلي40 بالتقاط إلكترون. ويصادف الأرغون أيضاً في التربة التي تحوي فلزات يورانيوم أو ثوريوم أو راديوم. ويستحصل ⁿ²²²Rn عادة بضخ الغاز من محاليل كلوريد الراديوم.

وتوجد هذه الغازات جميعها في الحالة الذرية، ويتم فيها جميعاً، باستثناء الهليوم، امتلاء المدار P بستة إلكترونات، ويكون فيها بالطبقة الخارجية ثمانية إلكترونات: إلكترونان بالمدار S وستة إلكترونات بالمدار P. أما الهليوم ففيه إلكترونان فقط بطبقته الخارجية، أي إن الطبقة الخارجية فيها جميعاً مكتملة:

₂He :1 S²

أو _n10Ne:1S² 2S² 2P⁶

[He] 2S² 2P⁶

أو   _n18Ar:1S² 2S² 2P⁶ 3S² 3P⁶

[Ne]  3S₂ 3P₆

₃₆Kr :1S² 2S² P⁶ 3S² 3P ⁶ 4S² 3d¹⁰ 4P⁶

[Ar] 4S² 3d¹⁰4P⁶  أو

₅₄Xe:[Kr] 5S² 4d¹⁰ 5P⁶

₈₆Rn:[Xe] 6S² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6P⁶

وهي تتميز بارتفاع قيم كمون تأينها (تشردها) ionization potential، لذلك كان من الصعب أن تشكل هذه العناصر روابط شاردية أو روابط مشتركة[ر: الرابطة الكيمياوية].

إن قدرة هذه الغازات على الاتحاد مع العناصر الأخرى محدودة نسبياً. وقد أمكن للغازات الثلاثة Kr وXe وRn فقط أن تتفاعل مع بعض العناصر. أما الهليوم والنيون والأرغون فأنصاف قطرها صغيرة ولذلك تكون الإلكترونات الخارجية شديدة الارتباط بالنواة (أي إن كمونات تشردها عالية) ولذلك يصعب تفاعلها، ولم يُعرف لها أي مركب مع أي عنصر آخر، في حين عرف للكريبتون بعض المركبات، وكذلك للزينون الذي كمون تشرده أصغر من الكريبتون. أما الرادون، الذي يفترض أن يكون أقل خمولاً من الزينون، لكون كمون تشرده أصغر، فكيمياؤه محدودة، لأن نظائر الرادون جميعها مشعة وعمر نصف half-life أثبت نظير له ⁿ²²²Rn  3.825 يوم.

استحصالها ـ خواصها الفيزيائية ـ استعمالاتها

تستحصل هذه الغازات بالتقطير المجزَّأ للهواء السائل. ويستحصل الهليوم عادة من آبار الغاز الطبيعي حيث يبلغ تركيز الهليوم نحو 7% حجماً. وقد دلّت دراسة المواد المشعة أن أشعة aα التي تنطلق منها ما هي إلا نوى الهليوم He²⁺ عزى وجود الهليوم مع الغاز الطبيعي إلى تفكك بعض العناصر المشعة في الصخور مُصدِرة أشعة aα (نوى الهليوم)، فيتجمع الغاز محتبساً في بعض الفلزات المشعة، ثم ينطلق الغاز نتيجة التسخين. ويبيِّن الجدول (2) أهم الخواص الفيزيائية لهذه العناصر.

الخواص الفيزيائية للغازات الخاملة

إن الفعل المتبادل بين ذرات الغاز الخامل ضعيف لاقتصاره على فعل قوى «فان درفالس»[ر]، ولهذا كان تمييعها صعباً. ودرجات غليانها أخفض من درجات غليان المركبات التي تقاربها بقيم أوزانها الجزيئية ولكن تختلف عنها بكون التوزع الإلكتروني فيها أقل تناظراً، مما يؤدي إلى زيادة الفعل المتبادل الكهربائي بين جزيئات هذه المركبات.

ويلاحظ من جدول الصفات الفيزيائية أن تدرج تغير صفة من صفات الغازات النادرة (درجة الانصهار ونصف القطر الذري على سبيل المثال) من أعلى الفصيلة إلى أسفلها يعد مثالياً. ويلاحظ أن نسبة الحرارة النوعية للغاز تحت ضغط ثابت إلى حرارته النوعية تحت حجم ثابت لا تختلف إلا قليلاً عن القيمة النظرية وهي (1.677) للغازات الكاملة (المثالية) الأحادية الذرة.

إن درجة حرارة غليان الهليوم أخفض من درجة غليان أي عنصر آخر في الجدول الدوري. ويشذ الهليوم عن العناصر جميعاً في أنه يشكل جسماً صلباً حقيقياً بفعل الضغط فقط، بغض النظر عن درجة الحرارة. وتوافق درجة انصهار الهليوم (المدرجة في الجدول 2) ضغطاً أصغرياً قدره (25) ضغطاً جوياً. والهليوم السائل يشذ عن باقي السوائل في أن له شكلين هليوم I وهليوم II. والهليوم I سائل عادي في جميع خواصه، أما الهليوم II فيتميز بالخواص الآتية:

(أ) ناقلية كبيرة للحرارة تبلغ 600 مرة من ناقلية النحاس بدرجة حرارة الغرفة.

(ب) لزوجة منخفضة تبلغ نحو 1/1000 من لزوجة غاز الهدروجين.

(ج) قدرة على السيلان نحو الأعلى في الأوعية التي يوضع فيها. وينتج الهليوم II من نظير الهليوم 4  فقط ولا يتشكل من  .

انحلالها في الماء قليل، ويزداد انحلالها بوضوح بازدياد الوزن الذري. ولا يمتص الفحمُ الخشبي المبرَّد في الهواء السائل الهليوم والنيون بكميات كبيرة، إلا أنه يمتص الغازات الأثقل بسرعة.

تضيء هذه الغازات بتأثير جهد (كمون) كهربائي عال، ويعود ذلك إلى الإشعاع الذي تصدره هذه الغازات نتيجة لعودة ارتباط الإلكترون بالذرة بعد تهيجه. ويكون الطيف الناتج من الغاز مميزاً له، ويمكن استعماله للكشف عنه. فاللون الصادر من أنبوب الانفراغ بوجود الهليوم أبيض مائل إلى زهر ـ بنفسجي، وبوجود النيون أحمر ـ نارنجي، وبوجود الأرغون بنفسجي ـ قرمزي، وبوجود الكريبتون بنفسجي فاتح، وبحال الزينون أزرق مائل إلى الأزرق المخضر.

يستعمل الهليوم في ملء المناطيد، ويفضل على الهدروجين لعدم قابليته للاشتعال. ويمزج به الأكسجين المستعمل لتنفس الغطاسين بدلاً من النتروجين لخفته وقلة انحلاله في الدم. ويستفاد من انخفاض درجة غليان الهليوم في دراسة سلوك المواد في جوار الصفر المطلق.

إن الاستعمال الرئيس لهذه الغازات هو توفير جو خامل، ويستعمل النيون لملء الأنابيب تحت ضغط منخفض، وتستعمل هذه الأنابيب في صنع الإشارات النيونية المستعملة في الدعاية. ويستعمل الأرغون وسطاً خاملاً في عمليات التعدين التي تجري بدرجة مرتفعة من الحرارة، كما يستعمل في ملء الأنابيب المستعملة في صنع المصابيح، إذ إن وجود الغاز الخامل يخفف من سرعة تآكل السلك المتوهج. ويستعمل الهليوم السائل في الفحص القري cryoscopy؛ وهو إحدى طرق الكيمياء التحليلية التي تستخدم لتعيين الوزن الجزيئي للمذاب، وخصائص أخرى له وذلك بإذابته بمذيب سائل ثم تحري درجة حرارة المذيب، ويتوقع للزينون أن يدرج استعماله في الطب مخدراً باستنشاقه، وهو يشبه في ذلك أحادي أكسيد ثنائي النتروجين N₂O الذي يدعى «غاز الضحك laughing gas».

وتستعمل الغازات السائلة Ar وXe وKr عادة مذيبات من أجل بعض الدراسات (مثال ذلك الدراسات السبكتروسكوبية).

الرادون خطر على الصحة، لأن التفكك الإشعاعي لليورانيوم في الفلزات، في المناطق الغرانيتية خاصة، يولّد الغاز الذي ينفذ إلى المنازل والمباني الأخرى. وينتج من تفكك الرادون نظائر البولونيوم والبزموت والرصاص التي تمتصها دقائق الغبار، فتدخل إلى الرئتين مسببة السرطان.

الخواص الكيمياوية

بقيت كيمياء الغازات النادرة محدودة إلى أن تمكن الكيميائي البريطاني N.Bartlett عام 1962، وكان يعمل في كندا آنذاك، من استحصال أول مركب معقد للزينون. إذ لاحظ بارتليت مصادفة عندما كان يدرس كيمياء المركب P_tF₆ أنه بتعريض المركب للأكسجين تشكل مركب جديد صيغته    . كما لاحظ أيضاً أن طاقة تشرد جزيء O₂ (وتحوله إلى   ) تقارب طاقة تشرد غاز الزينون Xe. ولهذا قام بالتجربة نفسها وفاعل P_tF₆ مع غاز الزينون Xe فتشكل  وهو مادة صلبة حمراء، ودلت الدراسات اللاحقة أن التفاعل يتم وفق التفاعل 2 في جدول التفاعلات. وهو أول مركب لغاز نادر. وبعد هذه التجربة بفترة وجيزة، تم اكتشاف مركب للزينون مع الفلور XeF₂ وهو بلورات لا لون لهافي مخبر أرغون القومي Argonne National Laboratory في ألنوي بالولايات المتحدة. كما تم أيضاً تفاعل الكريبتون مع الفلور وتكون KrF₂. وقد كان هذا الكشف تطوراً بالغ الأهمية في الكيمياء، إذ كانت الغازات النادرة تعد خاملة كيمياوياً. أما الرادون، الذي يتوقع له أن يتفاعل مثل الكريبتون والزينون، فلم تستحضر مركباته لشدة إشعاعه.

تم، فيما بعد، اصطناع مركبات أخرى للزينون تراوح فيها درجة الأكسدة بين 2 و8 منها XeF₄، وXeF₆ ، وXeO₃، وXeO₄، وXeOF₄، وXeO₂F₂، وCsXeF₇، وCsXeF₈. وبعض هذه المركبات ثابت جداً ويستحصل بكميات كبيرة. ومما يجدر ذكره أن الزينون الذي كان يعتبر شديد الخمول اتحد مع الفلور مباشرة بمجرد ضغط مزيج الغازين F₂ وXe وتسخين المزيج بأشعة الشمس (التفاعل 3 في جدول التفاعلات).

ومركبات الفلور مع الزينون جميعها عوامل مفلوِرة جيدة  (التفاعل 4 في جدول التفاعلات).

وثنائي الفلوريد ثابت في الماء ، ورباعي الفلوريد وسداسي الفلوريد كلاهما يتحللان بالماء متحولين إلى المركب القابل للانفجار بشدة XeO₃  (التفاعل 5 في جدول التفاعلات).  

تم فيما بعد تحضير مركبات أخرى للزينون مع عناصر أخرى (غير الفلور والأكسجين) مثل [C₆F₅Xe][AsF₆] وFXeN(SO₂F)₂ وM₉[XeO₃Cl₂]₄Cl (فيه M⁺ شاردة أحادية الشحنة و Cl^-).

والخواص الكيمياوية للكريبتون والرادون شبيهة بالخواص الكيمياوية للزينون كما هو متوقع حسب موقعها في الجدول الدوري. وتم استحضار KrF₂، وهو مادة صلبة بيضاء قليلة الانحلال بالفلور السائل. وهي عامل مفلوِر ومؤكسد قوي. يصعب دراسـة الخواص الكيمياوية للرادون، ومـع ذلـك فقد تم الحصول على RnF₂ وربما RnO₃.

موفق شخاشيرو

ـ فيليب ماثيوس، الكيمياء المتقدمة 2 العضوية واللاعضوية، ترجمة هيام بيرقدار (المنظمة العربية للتربية والثقافة والعلوم،  دمشق 2000).

- F.A.COTTON et al, Advanced Inorganic Chemistry, 6^th Edition (John Wiley & sons 1999).

التصنيف : الكيمياء و الفيزياء

النوع : علوم

المجلد: المجلد الثالث عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 714

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية