🎈 Vzácné plyny

Líní aristokraté

O čem to je

Balónek na pouti stoupá díky heliu. Svítící reklamy ve městech září neonem. V žárovce chrání vlákno argon. A ve sklepě se může nebezpečně hromadit radioaktivní radon.

Těmhle plynům se říká vzácné – skoro s ničím nereagují, jako by si nechtěly „zašpinit ruce“. Proč tomu tak je a k čemu se hodí?

Nové pojmy

Vzácné plynyPrvky 18. skupiny: helium He, neon Ne, argon Ar, krypton Kr, xenon Xe, radon Rn.
Valenční vrstvaNejvzdálenější vrstva elektronů v atomu. Podle ní se řídí, jak atom reaguje.
OktetOsm elektronů ve valenční vrstvě (ns² np⁶). Je to mimořádně stálé uspořádání. Helium má plnou vrstvu už se dvěma elektrony (duplet 1s²).
Ionizační energieEnergie potřebná k odtržení elektronu z atomu.

Proč skoro nereagují

Ostatní prvky reagují proto, aby získaly plnou valenční vrstvu – přijímají, odevzdávají nebo sdílejí elektrony. Vzácné plyny ji už mají. Nic nepotřebují a elektron se jim odtrhává těžko (vysoká ionizační energie).

Proto jsou jednoatomové – netvoří ani molekuly se sebou samými (He, ne He₂).

Kolik valenčních elektronů má neon (Z = 10)?
Konfigurace 1s² 2s² 2p⁶. Valenční vrstva je druhá: 2 + 6 = 8. Plný oktet.

Kde se berou

Ve vzduchu je skoro 1 % argonu – je to nejhojnější vzácný plyn ve vzduchu. Ne, Ar, Kr a Xe se získávají frakční destilací zkapalněného vzduchu. Helium se získává ze zemního plynu.

Frakční destilaceOddělování látek podle teploty varu. Zkapalněný vzduch se pomalu ohřívá a plyny se odpařují jeden po druhém.

K čemu jsou

Spoj plyn s jeho využitím – nejdřív hádej, pak otoč kartu.

  • He – balónky, chlazení supravodivých magnetů (magnetická rezonance)
  • Ne – reklamní výbojky (červenooranžové světlo)
  • Ar – ochranná atmosféra při svařování, žárovky
  • Kr, Xe – výbojky, světlomety aut
  • Rn – radioaktivní, nebezpečný ve sklepích
Proč se balónky plní heliem, a ne vodíkem, i když je vodík lehčí?
Vodík se vzduchem tvoří výbušnou směs. Helium je nehořlavé, nereaguje – je bezpečné. Lehčí než vzduch je dost.

Radon

Radon je radioaktivní. Vzniká v podloží rozpadem uranu (hodně v žulových oblastech, i v Česku). Prosakuje do sklepů a nevětraných místností. Jeho dlouhodobé vdechování zvyšuje riziko rakoviny plic. Pomáhá větrat a utěsnit podlahy.

Přece jen nějaké sloučeniny

Velké atomy Kr a Xe mají vnější elektrony daleko od jádra. Fluor – nejagresivnější prvek – je dokáže „přemluvit“: vznikají třeba XeF₂, XeF₄, XeF₆.

✗Helium tvoří molekuly He₂ jako vodík H₂.
✓Vzácné plyny jsou jednoatomové: He, Ne, Ar…

Atom vodíku potřebuje druhý elektron, tak se spojí s dalším. Atom helia má vrstvu plnou – spojením by nic nezískal.

Vzácné plyny (18. skupina) mají plnou valenční vrstvu, proto jsou jednoatomové a téměř nereaktivní. Ar je ve vzduchu nejvíc. Využití: He balónky a chlazení, Ne reklamy, Ar svařování. Rn je radioaktivní.

Stavbou atomu

O čem to je

Vzácné plyny jsou „měřítkem stability“. Když chemici říkají, že atom chce dosáhnout oktetu, myslí tím konfiguraci vzácného plynu. Proto stojí za to pochopit, co je na nich tak zvláštního.

Nové pojmy

Elektronová konfiguraceZápis rozmístění elektronů v orbitalech atomu.Ne: 1s² 2s² 2p⁶
Uzavřená valenční vrstvaVrstva, do které už se žádný další elektron nevejde (s² p⁶ – oktet; u helia 1s² – duplet).
Ionizační energieEnergie nutná k odtržení elektronu. Vzácné plyny mají v každé periodě nejvyšší.
RadioaktivitaSamovolný rozpad nestabilních jader za vzniku záření.

Přehled skupiny

PrvekZValenční konfiguracePozn.
He21s²duplet, 2. nejlehčí plyn
Ne102s² 2p⁶reklamní výbojky
Ar183s² 3p⁶asi 0,93 % vzduchu
Kr364s² 4p⁶výbojky
Xe545s² 5p⁶tvoří fluoridy
Rn866s² 6p⁶radioaktivní

Důsledky plné vrstvy

Plná vrstva → atom nemá důvod elektrony přijímat ani dávat.
Vysoká ionizační energie → elektron se těžko odtrhne.
Proto tvoří jednoatomové molekuly a jsou téměř inertní (nereaktivní).
Mezi atomy působí jen velmi slabé síly → velmi nízké teploty varu (helium vře asi při −269 °C).

Výjimka: sloučeniny xenonu

Shora dolů atomy rostou a ionizační energie klesá. U Kr a Xe je už tak nízká, že nejsilnější oxidační činidla – fluor a kyslík – s nimi reagují. První sloučeninu vzácného plynu připravil Neil Bartlett v roce 1962.

Proč tvoří sloučeniny xenon, a ne helium?
Xenon má valenční elektrony v 5. vrstvě, daleko od jádra → nižší ionizační energie, fluor mu je dokáže „vzít“ (XeF₂). Helium má elektrony těsně u jádra s extrémně vysokou ionizační energií – nereaguje s ničím.

Získávání a použití

  • Ne, Ar, Kr, Xe – frakční destilace zkapalněného vzduchu.
  • He – ze zemního plynu.
  • Rn – vzniká rozpadem radia v podloží.

Roztřiď využití ke správnému plynu.

Proč je radon nebezpečný, i když chemicky nereaguje?
Nebezpečí není chemické, ale jaderné. Radon je radioaktivní; po vdechnutí se v plicích rozpadá a jeho záření poškozuje buňky → riziko rakoviny plic.
✗Vzácné plyny jsou málo reaktivní, protože mají nízkou ionizační energii.
✓Mají vysokou ionizační energii a zaplněnou valenční vrstvu.

Nízkou ionizační energii mají alkalické kovy – a ty jsou naopak nejreaktivnější.

18. skupina: uzavřená valenční vrstva (ns² np⁶, He 1s²), vysoká ionizační energie, jednoatomové, téměř inertní. Kr a Xe tvoří sloučeniny s fluorem. Rn je radioaktivní.
🧴Halogeny🎨d-prvky a komplexní sloučeniny