الغازات النبيلة هى العناصر الكيميائية الموجودة في المجموعة 18 ( الإسم القديم كان المجموعة صفر ) من الجدول الدوري .وهذه السلسة الكيميائية تحتوى العناصر الآتية : هيليوم ، نيون ، أرجون ، كربتون ، زينون ، رادون . كانت الغازات النبيلة تعهد سابقا بالغازات الخاملة ولكن هذا التعبير ليس دقيق نظرا لأن عديد منها يدخل في تفاعلات كيميائية . كما انه كان يطلق عليها أيضا الغازات النادرة على الرغم من انها تمثل تقريبا ( 0.93 % من حجم ، 1.29 من كتلة ) الغلاف الجوي .

ونظرا لعدم نشاطها الكيميائي فإن الغازات النبيلة لم تكتشف حتى 1868 ، حينما تم إكتشاف الهيليوم بواسطة المطياف في الشمس . وتم الحصول على الهيليوم وعزله على الأرض عام 1895 . للغازات النبيلة قوى جذب داخلية ضعيفة للغاية بين ذراتها وبالتالى فإن لها درجات ذوبان وغليان منخفضة للغاية . ولذا فإن هذه العناصر تكون في الحالة الغازية في الظروف العادية ، حتى التى لها وزن ذري أكبر من الفلزات الصلبة .

مركبات الغازات النبيلة

الغازات النبيلة لها غلاف إلكتروني خارجى ممتلء للمستويات الفرعية s ، p ( أى يوجد في أخر غلاف لهاثمانية إلكترونات ، فيما عدا الهيليوم فإن له 2 إلكترون في غلافه الخارجي ) ، ولهذا لإنها لا تكون مركبات كيميائية بسهولة . وحدثا زادت ذرات هذه السلسة حجما حدثا تتبعنا السلسة لأسفل ، فإنها تكون أكثر نشاطا إلى حد قليل . فمثلا تفاعل الزينون مع الفلور عام 1962 لينتج المركبات الآتية : XeF₂, XeF₄, XeF₆ . كما تفاعل أيضا الرادون مع الفلور لينتج فلوريد الرادون (RnF) والذى كان يلمع بضوء أصفر في الحالة الصلبة . كما حتى الكريبتون يمكن حتى يتفاعل مع الفلور لينتج KrF₂ ، جزيئات مثارة ثنائية الذرة مثل Xe₂وهاليدات الغازات النبيلة مثل XeCl والتى تستخدم في ليزر جزيئات مثارة ثنائية الذرة . وتم إكتشاف فلوريد الأرجون (ArF₂) في عام 2003 .

فى عام 2002 ، تم إكتشاف عدد من المركبات يدخل اليورانيوم فيها مع الأرجون ، والكربتون والزينون . وقد أيد ذلك الإعتقاد بأن الغازات النبيلة يمكن حتى تكون مركبات مع الفلزات الأخرى .

يحتوى الجدول الدوري فراغ أسفل الرادون ، وله الرقم الذري 118 . وهذا يشير على وجود غاز نبيل لم يكتشف بعد وله فترة وجود قليلة ، والذى يعهد حاليا بإسم أنون أكتيوم .

الاكتشاف

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

قاس الفيزيائي الإنكليزي اللورد رايلي, Lord John William Strutt, Rayleigh، عام 1890، كثافة بعض الغازات الشائعة ووجد حتى 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)، عثر رايلي ورامزي William Ramsay كمية صغيرة جداً من غاز أحادي الذرة ذي كثافة أعلى بكثير سمي الأرغون؛ والحدثة تعني باليونانية «الكسول» دلالة على خموله الكيمياوي. واقترح رامزي حتى هذا العنصر، والعنصر الذي كان مكتشفاً حديثاً آنذاك (وهوالهليوم) ينتميان كلاهما إلى فصيلة جديدة كلياً في الجدول الدوري. ويبين الجدول (1) هجريب الهواء الجوي الجاف.

ويعزى وجود الأرغون بكميات كبيرة، نسبياً، في الهواء (إذا ما قورن بباقي غازات الفصيلة) إلى حتى الأرغون ذا العدد الكتلي 40 يتشكل من تفكك البوتاسيوم المشع ذي العدد الكتلي40 بالتقاط إلكترون. ويصادف الأرغون أيضاً في التربة التي تحوي فلزات يورانيوم أوثوريوم أوراديوم. 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 إذا الطبقة الخارجية فيها جميعاً مكتملة:

₂He :1 S²

أوn₁₀Ne: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 حتى تشكل هذه العناصر روابط شاردية أوروابط مشهجرة.

الاتحاد مع العناصر الاخرى

إن قدرة هذه الغازات على الاتحاد مع العناصر الأخرى محدودة نسبياً. وقد أمكن للغازات الثلاثة Kr وXe وRn فقط حتى تتفاعل مع بعض العناصر. أما الهليوم والنيون والأرغون فأنصاف قطرها صغيرة ولذلك تكون الإلكترونات الخارجية شديدة الارتباط بالنواة (أي إذا كمونات تشردها عالية) ولذلك يصعب تفاعلها، ولم يُعهد لها أي مركب مع أي عنصر آخر، في حين عهد للكريبتون بعض المركبات، وكذلك للزينون الذي كمون تشرده أصغر من الكريبتون. أما الرادون، الذي يفترض حتىقد 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 هجريز الهليوم نحو7% حجماً. وقد دلّت دراسة المواد المشعة حتى 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) أبرز الخواص الفيزيائية لهذه العناصر.

الخواص الفيزيائية للغازات الخاملة

إن العمل المتبادل بين ذرات الغاز الخامل ضعيف لاقتصاره على عمل قوى «فان درفالس» ، 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 العمل المتبادل الكهربائي بين جزيئات هذه المركبات.

ويلاحظ من جدول الصفات الفيزيائية حتى تدرج تغير صفة من صفات الغازات النادرة (درجة الانصهار ونصف القطر الذري على سبيل المثال) من أعلى الفصيلة إلى أسفلها يعد مثالياً. ويلاحظ حتى 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 بعمل 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 حتى له شكلين هليوم I وهليوم II. والهليوم I سائل عادي في جميع خواصه، أما الهليوم II فيتميز بالخواص الآتية:

-185.7 || -152.30 || -107.1 || -61.8 

-156.6 || -111.9 || -71

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

(ب) لزوجة منخفضة تبلغ نحو1/1000 من لزوجة غاز الهدروجين.

(ج) قدرة على السيلان نحوالأعلى في الأوعية التي يوضع فيها. وينتج الهليوم II من نظير الهليوم أربعة 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 هوتوفير جوخامل، ويستعمل النيون لملء الأنابيب تحت ضغط منخفض، وتستعمل هذه الأنابيب في خلق الإشارات النيونية المستعملة في النادىية. ويستعمل الأرغون وسطاً خاملاً في عمليات التعدين التي تجري بدرجة مرتفعة من الحرارة، كما يستعمل في ملء الأنابيب المستعملة في خلق المصابيح، إذ إذا وجود الغاز الخامل يخفف من سرعة تآكل السلك المتوهج. ويستعمل الهليوم السائل في الفحص القري cryoscopy؛ وهوإحدى طرق الكيمياء التحليلية التي تستخدم لتعيين الوزن الجزيئي للمذاب، وخصائص أخرى له وذلك بإذابته بمذيب سائل ثم تحري درجة حرارة المذيب، ويتسقط للزينون حتى يدرج استعماله في الطب مخدراً باستنشاقه، وهويشبه 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 حتى تمكن الكيميائي البريطاني N.Bartlett عام 1962، وكان يعمل في كندا آنذاك، من استحصال أول مركب معقد للزينون. إذ لاحظ بارتليت مصادفة عندما كان يفهم كيمياء المركب P_tF₆ أنه بتعريض المركب للأكسجين تشكل مركب حديث صيغتهptF^-₆][O⁺₂]. كما لاحظ أيضاً حتى طاقة تشرد جزيء O2 (وتحوله إلى O+^{نص الحرف العلوي}₂ ) تقارب طاقة تشرد غاز الزينون Xe. ولهذا قام بالتجربة نفسها وفاعل PtF6 مع غاز الزينون Xe فتشكل[ ptF^-₆] Xe⁺ وهومادة صلبة حمراء، ودلت الدراسات اللاحقة حتى التفاعل يتم وفق التفاعل 2 في جدول التفاعلات. وهوأول مركب لغاز نادر. وبعد هذه التجربة بفترة وجيزة، تم اكتشاف مركب للزينون مع الفلور XeF₂ وهوبلورات 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 يتسقط له حتى 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 حتى الزينون الذي كان يعتبر شديد الخمول اتحد مع الفلور مباشرة بمجرد ضغط مزيج الغازين F₂ وXe وتسخين المزيج بأشعة الشمس (التفاعل ثلاثة في جدول التفاعلات).

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

وثنائي الفلوريد ثابت في الماء ، ورباعي الفلوريد وسداسي الفلوريد كلاهما يتحللان بالماء متحولين إلى المركب القابل للانفجار بشدة XeO₃ (التفاعلخمسة 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 وCl^-).

والخواص الكيمياوية للكريبتون والرادون شبيهة بالخواص الكيمياوية للزينون كما هومتسقط حسب مسقطها في الجدول الدوري. وتم استحضار KrF₂، وهومادة 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.

وصلات خارجية

• نشرة جامعة أوهايولمركبات اليورنيوم مع الغازات النبيلة
• إستخدامات وخواص الغازات النبيلة النيون ، الكريبتون ، الزينون
• إستخدامات وخواص الأرجون

المصادر

مراجع للإستزادة

• 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).