logo

logo

logo

logo

logo

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.

الغاز

النسبة المئوية (حجماً)

N2

78.03

O2

20.99

Ar

0.93

CO2

0.03

Ne

0.0015

H2

0.0010

He

0.0005

Kr

0.0001

Xe

0.000008

 

                                              الجدول (1) تركيب الهواء الجوي الجاف 

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.

جدول التفاعلات

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 التي تنطلق منها ما هي إلا نوى الهليوم He2+ عزى وجود الهليوم مع الغاز الطبيعي إلى تفكك بعض العناصر المشعة في الصخور مُصدِرة أشعة (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:

 

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

العدد الذري

2

10

18

36

54

86

الوزن الذري

4.0026

20.1797

39.948

83.80

131.29

222.6

نصف قطر الذرة،أنغستروم

1.2

1.3

1.7

1.8

2.0

2.2

كمون التأين الأول كيلوجول/مول

2372

2080

1520

1351

1169

1037

درجة الغليان، سْ (مئوية)

-268.934

-246.0458

-185.7

-152.30

-107.1

-61.8

درجة الانصهار، سْ (مئوية)

-272.2

-248.67

-189.2

-156.6

-111.9

-71

انحلالها في الماء(20هس) (سم3 غاز/لتر ماء)

13.8

14.7

37.9

73

110.9

-

نسبة الحرارتين النوعيتين تحت ضغط ثابت cp وتحت حجم ثابت   cp/cv   cv

1.65

1.64

1.65

1.69

1.67

-

كثافة الغاز بالشروط النظامية (غ/سم3)

0.1785

0.9002

1.7809

3.708

5.851

9.73

الجدول (2) الخواص الفيزيائية للغازات الخاملة

(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.

بلورات من رباعي فلوريد الزينون XeF4

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 PtF6 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 PtF6 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

 

 مراجع الاستزادة:

 

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, 6th Edition (John Wiley & sons 1999).

 


التصنيف : الكيمياء و الفيزياء
النوع : علوم
المجلد: المجلد الثالث عشر
رقم الصفحة ضمن المجلد : 714
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 38
الكل : 12537517
اليوم : 1043

برودون (بيير جوزيف-)

برودون (بيير جوزيف ـ) (1809 - 1865)   بيير جوزيف برودون Pierre Joseph Proudhon منظّر اشتراكي فرنسي ولد في مدينة بيزانسون بفرنسة في أسرة فقيرة، وقد استطاع في دراسته الأولية أن يحقق تفوقاً ملحوظاً،  واضطرته الصعوبات المالية وهو في التاسعة عشرة من عمره إلى التخلي عن الدراسة الجامعية، وصار عاملاً في الطباعة. وقد أتاحت له هذه المهنة مجالاً واسعاً لتثقيف نفسه واكتساب اطّلاع واسع. قام بين سنتي 1829 و1834م بجولة في فرنسة، وأسس مع اثنين من أصدقائه مطبعة، ونشر كتاباً عام 1837م «دراسة في القواعد العامة» استحق عليه منحة من أكاديمية بيزانسون أتاحت له استكمال دراسته الجامعية في باريس.
المزيد »