Vzácné plyny

Rozbalit box

Obsah boxu

Vzácné plyny (také inertní plyny nebo aerogeny) je název pro prvky 18. skupiny periodické tabulky prvků. Do této skupiny patří helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radioaktivní radon (Rn) a synteticky připravený, supertěžký oganesson (Og).

Jejich hlavní charakteristikou je velmi nízká chemická reaktivita, která je způsobena tím, že mají zcela zaplněnou vnější elektronovou slupku (valenční sféru). Tato stabilní elektronová konfigurace jim dává jen malou tendenci tvořit chemické vazby s jinými atomy. Za standardních podmínek jsou to bezbarvé plyny bez chuti a zápachu, tvořené pouze jednotlivými atomy (monoatomární plyn).

📜 Historie

Objev vzácných plynů je úzce spjat s výzkumem složení zemské atmosféry na konci 19. století.

🏛️ Objev argonu

V roce 1894 si britský fyzik Lord Rayleigh všiml, že dusík získaný ze vzduchu má nepatrně vyšší hustotu než dusík připravený chemickou cestou z amoniaku. To ho vedlo k hypotéze, že vzdušný dusík musí obsahovat další, dosud neznámou a těžší složku. Společně s chemikem Williamem Ramsayem provedl experiment, při kterém odstranili ze vzorku vzduchu veškerý kyslík, oxid uhličitý a dusík. Zůstal jim plyn, který byl chemicky naprosto netečný (nereaktivní). Tento nový prvek pojmenovali argon z řeckého slova "argos", což znamená "líný" nebo "nečinný". Za tento objev obdrželi oba vědci Nobelovy ceny – Rayleigh za fyziku a Ramsay za chemii.

⚛️ Objev ostatních plynů

Úspěch s argonem motivoval Ramsaye a jeho spolupracovníka Morrise Traverse k dalšímu pátrání. Pomocí frakční destilace zkapalněného vzduchu postupně izolovali další neznámé plyny:

Krypton (1898) – z řeckého "kryptos" (skrytý).
Neon (1898) – z řeckého "neos" (nový).
Xenon (1898) – z řeckého "xenos" (cizí).

Helium bylo spektroskopicky detekováno již v roce 1868 ve slunečním spektru během zatmění Slunce francouzským astronomem Pierrem Janssenem. Později bylo potvrzeno na Zemi Ramsayem v roce 1895, když analyzoval plyn uvolňující se z uranové rudy cleveit.

Radon, radioaktivní plyn, byl objeven v roce 1900 Friedrichem Dornem jako produkt radioaktivní přeměny radia.

Poslední člen skupiny, oganesson, je transuranem a byl poprvé syntetizován v roce 2006 ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů v Dubně v Rusku.

🧪 Chemické a fyzikální vlastnosti

Vzácné plyny sdílejí řadu charakteristických vlastností vyplývajících z jejich elektronové konfigurace.

🔬 Chemická reaktivita

Dlouho byly vzácné plyny považovány za absolutně nereaktivní (inertní). Tento pohled se změnil v roce 1962, kdy kanadský chemik Neil Bartlett připravil první skutečnou sloučeninu vzácného plynu – hexafluoroplatičnan xenonný (Xe⁺[PtF₆]⁻).

Obecně platí, že reaktivita vzácných plynů stoupá s rostoucím protonovým číslem. Je to proto, že valenční elektrony jsou dále od jádra a jsou slaběji vázány, což usnadňuje jejich účast ve vazbách.

Helium a Neon: Jsou prakticky inertní. Sloučeniny byly připraveny jen za extrémních podmínek v laboratoři a nejsou stabilní.
Argon: Tvoří velmi nestabilní sloučeniny, například fluorohydrid argonu (HArF), který je stabilní jen při velmi nízkých teplotách (pod -256 °C).
Krypton: Je reaktivnější než argon, tvoří sloučeniny především s fluorem, například fluorid kryptonatý (KrF₂).
Xenon: Má nejrozvinutější chemii z celé skupiny. Tvoří řadu sloučenin s vysoce elektronegativními prvky jako fluor a kyslík, například fluorid xenonatý (XeF₂), fluorid xenoničitý (XeF₄), fluorid xenonový (XeF₆) nebo výbušný oxid xenonový (XeO₃).
Radon: Předpokládá se, že je ještě reaktivnější než xenon, ale jeho studium je komplikováno jeho vysokou radioaktivitou.
Oganesson: Teoretické výpočty naznačují, že by mohl být nejreaktivnějším prvkem skupiny a za standardních podmínek by nemusel být plynem, ale pevnou látkou.

🌡️ Fyzikální vlastnosti

Jsou to jednoatomové plyny.
Jsou bezbarvé, bez chuti a bez zápachu.
Mají velmi nízké teploty tání a teploty varu, které se zvyšují s rostoucí atomovou hmotností. Například helium vře při −268,93 °C (4,22 K), zatímco radon při −61,7 °C (211,5 K).
Mají nízkou hustotu.
Jsou nehořlavé.
Mají vysoké ionizační energie.
Při průchodu elektrického proudu v výbojkách emitují charakteristicky zbarvené světlo.

🌍 Výskyt v přírodě

S výjimkou oganessonu se všechny vzácné plyny nacházejí v zemské atmosféře. Jejich zastoupení (v suchém vzduchu) je následující:

**Argon (Ar):** 0,934 % (nejrozšířenější vzácný plyn v atmosféře)
**Neon (Ne):** 0,0018 % (18 ppm)
**Helium (He):** 0,00052 % (5,2 ppm)
**Krypton (Kr):** 0,00011 % (1,1 ppm)
**Xenon (Xe):** 0,000009 % (0,09 ppm)

Helium se také ve významném množství nachází v ložiscích zemního plynu (až 7 % objemu), kde vzniká alfa rozpadem těžkých radioaktivních prvků v zemské kůře. Radon je radioaktivní a neustále vzniká rozpadem radia v horninách a půdě. Jeho koncentrace v atmosféře je proto velmi nízká a proměnlivá.

Vesmírně je nejhojnější helium, které je po vodíku druhým nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Vzniklo převážně během Velkého třesku.

⚙️ Výroba a získávání

Hlavním zdrojem pro výrobu neonu, argonu, kryptonu a xenonu je vzduch. Získávají se průmyslově pomocí **frakční destilace zkapalněného vzduchu**. Tento proces využívá rozdílných teplot varu jednotlivých složek vzduchu.

1. Vzduch je nejprve zbaven nečistot (prach, oxid uhličitý, vodní pára). 2. Následně je stlačen a ochlazen na velmi nízkou teplotu (cca −200 °C), čímž zkapalní. 3. Kapalný vzduch je veden do destilační kolony, kde se postupně zahřívá. 4. Jednotlivé plyny se oddělují podle svých bodů varu – nejprve se odpaří dusík, poté argon a nakonec kyslík. Vzácné plyny se získávají z různých frakcí tohoto procesu.

Helium se získává především ze zemního plynu s vysokou koncentrací helia, a to procesem kryogenní separace. Radon se obvykle nezískává průmyslově, ale pro vědecké účely se připravuje z roztoků solí radia.

💡 Využití

Ačkoliv jsou vzácné plyny chemicky netečné, jejich unikátní fyzikální vlastnosti je předurčují k širokému spektru využití.

Helium (He)

**Kryogenika:** Kapalné helium je nejchladnější známou látkou a používá se k chlazení supravodivých magnetů v zařízeních jako magnetická rezonance (MRI) a nukleární magnetická rezonance (NMR).
**Plnění balónů a vzducholodí:** Díky své nízké hustotě (je lehčí než vzduch) a nehořlavosti je bezpečnější alternativou k vodíku.
**Ochranná atmosféra:** Používá se při svařování a v průmyslu polovodičů k vytvoření inertního prostředí.
**Dýchací směsi:** Směs helia a kyslíku (Heliox) se používá pro hlubinné potápění, protože helium zabraňuje dusíkové narkóze.

Neon (Ne)

**Osvětlovací technika:** Nejznámější je jeho použití v reklamních výbojkách (tzv. neony), kde vydává charakteristické červeno-oranžové světlo.
**Indikátory vysokého napětí:** Používá se v doutnavkách a jiných kontrolkách.
**Kryogenní chladivo:** V některých aplikacích slouží jako chladicí médium.

Argon (Ar)

**Svařování:** Je nejběžněji používaným plynem pro vytvoření ochranné atmosféry při svařování metodami MIG a TIG.
**Žárovky:** Plní se jím klasické žárovky, kde zabraňuje oxidaci a odpařování wolframového vlákna, čímž prodlužuje jeho životnost.
**Izolace:** Používá se jako izolační plyn v meziprostoru izolačních dvojskel a trojskel.
**Ochrana historických dokumentů:** V inertní atmosféře argonu se uchovávají cenné rukopisy (např. americká Deklarace nezávislosti).

Krypton (Kr)

**Osvětlení:** Používá se v energeticky úsporných a vysoce výkonných žárovkách (tzv. kryptonky) a v některých halogenových žárovkách.
**Lasery:** Fluorid kryptonový se používá v excimerových laserech.
**Definice metru:** V letech 1960 až 1983 byla délková jednotka metr definována pomocí vlnové délky oranžovo-červené emisní čáry izotopu kryptonu-86.

Xenon (Xe)

**Osvětlení:** Používá se ve vysoce intenzivních výbojkách (xenonové světlomety v automobilech), v blescích pro fotografování a v lampách pro filmové projektory.
**Anestetikum:** Má anestetické účinky a v některých případech se používá jako inhalační anestetikum.
**Iontové motory:** Xenon se používá jako palivo (hnací médium) v iontových motorech pro kosmické sondy a satelity.

Radon (Rn)

**Radioterapie:** V minulosti se malé uzavřené kapsle s radonem používaly k léčbě rakoviny. Dnes je tato metoda z velké části nahrazena bezpečnějšími zdroji záření.
**Vědecký výzkum:** Používá se při studiu geologických procesů a v hydrologii.

☣️ Biologický význam a bezpečnost

Vzácné plyny nemají žádný známý biologický význam. Nejsou toxické, ale představují riziko jako **jednoduché dusivé plyny**. Ve vysokých koncentracích v uzavřeném prostoru mohou vytěsnit kyslík a způsobit udušení (asfyxie).

Zvláštní nebezpečí představuje **radon**. Jakožto radioaktivní plyn se může hromadit v nevětraných prostorách, zejména ve sklepích budov postavených na podloží s vyšším obsahem uranu a radia. Vdechování radonu a jeho rozpadových produktů je významným rizikovým faktorem pro vznik rakoviny plic a je považováno za druhou nejčastější příčinu tohoto onemocnění po kouření.

🤓 Pro laiky

Představte si vzácné plyny jako "asociály" nebo "šlechtice" mezi chemickými prvky. Zatímco většina ostatních prvků (jako kyslík, uhlík nebo železo) se neustále snaží spojit s jinými a vytvořit molekuly (podobně jako lidé, kteří si hledají přátele nebo partnery), vzácné plyny jsou naprosto spokojené samy o sobě.

Důvodem je, že mají "plný počet přátel" – jejich vnější elektronová slupka je kompletně zaplněná. Nemají tedy žádnou potřebu elektrony sdílet, přijímat ani odevzdávat. Proto jsou tak stabilní, netečné a nereagují s okolím. Tato jejich "nezúčastněnost" je ale velmi užitečná. Můžeme je použít například ve svařování k tomu, aby horký kov chránily před reakcí s kyslíkem ze vzduchu, nebo v žárovkách, kde brání přepálení tenkého vlákna. Každý z nich navíc pod elektrickým proudem svítí jinou krásnou barvou, čehož se využívá v reklamních nápisech.

Šablona:Aktualizováno