الوسم: الغـازات

الغـازات النبيلـة

هي العناصر الكيميائية الموجودة في المجموعة الثامنة عشر من الجدول الدوري

وهذه السلسلة الكيميائية تحتوي العناصر الآتية : الأرجون Ar، الهيليوم He , الكربتون Kr , النيون Ne , الرادون Rn , الزينونXe , بالإضافة إلى عنصر جديد قيد الأبحاث ( لم يكتشف بعد ) وهو الأنون أوكتيوم وله الرمز المؤقت Uuo

وخلافًا لمعظم العناصر الغازية، فإن الغازات النبيلة أحادية الذرة، أي توجد في الطبيعة على شكل ذرات منفردة بدلاً من جزيئات من ذرتين أو أكثر

ويتميز تركيب هذه الغازات بوجود ثمانية إلكترونات في المستوى الخارجي لها باستثناء الهيليوم حيث يحتوى المستوى الخارجي فيه على إلكترونين فقط , وهذا ما يفسر خمول فاعليتها واستقرارها

كانت الغازات النبيلة تعرف إلى عهد قريب بالغازات الخاملة نظراً لأنه لم يكن يعرف – حتى قبل عام 1962 – أنها تدخل في أي تفاعل كيميائي نظراً لارتفاع جهود تأينها ولأنها أقل العناصر ألفة إلكترونية ولكن الآن أصبح هذا التعبير ليس دقيق نظرا لأن عدد منها يدخل في تفاعلات كيميائية , كما انه كان يطلق عليها أيضا الغازات النادرة على الرغم من أنها توجد في الهواء الجوي بنسبة 1 % بالحجم تقريباً

تاريخ الغازات النبيلة ووجودها في الطبيعة

نظراً لعدم نشاط الغازات النبيلة الكيميائي فإنها لم تكتشف حتى 1868, حينما تم اكتشاف الهيليوم بواسطة المطياف في الشمس .

في سنة 1868 حدث كسوف كلي للشمس وأمكن بذلك دراسة الجو الضوئي المحيط بها بواسطة المطياف . وقد لاحظ جانسن (Janssen ) وجود خط في المنطقة الصفراء من الطيف يختلف في طول موجته عن الخط المميز لعنصر الصوديوم وقد استنتج فرانكلاند ( Frankland ) ولوكير ( Lockyer ) أن الخط لابد أن يكون لعنصر جديد لايوجد على الأرض وسمي هيليوم اشتقاقاً من الكلمة اليونانية Helios ومعناه الشمس نظراً لوجوده في جو الشمس بكثرة

وفي عام 1894 درس ويليام رامزي( Ramsay)

الغازات الناتجة من تسخين معدن الكليفيت ( Cleveite ) ولاحظ أنها تحتوي على الهيدروجين والنيتروجين والأرجون كما لاحظ أن طيفها يحتوي على الخط المميز للهيليوم الذي سبق اكتشافه في جو الشمس وقد دل ذلك على وجود الهيليوم في الأرض كما أثبت كايزر ( Kayser ) وجود الهيليوم في الهواء الجوي المحيط بالكرة الأرضية في عام 1895

يعد الهيليوم من أخف الغازات المعروفة بعد الهيدروجين , وثاني أكثر الغازات وفرة في الكون

يوجد غاز الهيليوم بوفرة كبيرة جداً في النجوم , ويعود ذلك إلى الاندماج النووي للهيدروجين , إلا أن وجوده في الغلاف الجوي للأرض قليل حيث يصل إلى 0.0005 % حجماً . بسبب أن الجاذبية الأرضية لهذا الغاز ليست قوية بما فيه الكفاية لإعاقة انفلاته التدريجي باتجاه الفضاء , ويعود السبب في وجود الهيليوم في الغلاف الجوي الأرضي نتيجة للتفكك التلقائي لبعض النظائر المشعة الثقيلة مع إصدار جسيمات ألفا التي تتحول إلى غاز الهيليوم

كما تعد مكامن الغاز الطبيعي والحقول الغازية مصدراً لغاز الهيليوم حيث تبلغ نسبته 2 % وهي المصدر التجاري الرئيسي لهذا الغاز

النيون

أكتشف النيون عام 1898 بواسطة كلاً من رامزي( Ramsay) وموريس وليم ترافرس ( Travers )

عندما كانا يقومان بتقطير الهواء المسال تقطيراً تجزيئياً فعندما قاما بتقطير الجزء الذي يحتوي على الأرجون المسال تقطيراً تجزيئياً تبين أنه يحتوي على بعض الهيليوم وغاز آخر سمي نيون طبقًا للكلمة الإغريقية (Neos) والتي تعني الجديد , وقد تنبأ رامزي بوجود هذا الغاز قبل ذلك بعام

يوجد هذا الغاز بكميات قليلة في الغلاف الجوي للأرض ( بنسبة 0.0018 % حجماً ) , وفي صخور قشرة الأرض . وغاز النيون أخف من الهواء

الأرجون

في عام 1892 لاحظ البارون رايلي

أن كثافة النيتروجين المحضر من الهواء أكبر من كثافة النيتروجين المحضر من مركباته وقد استنتج من ذلك أن نيتروجين الجو يحتوي على غاز آخر أثقل منه وقد نجح رامزي عام 1894 في فصل هذا الغاز من الهواء بعد إزالة الأكسجين والنيتروجين منه ونظراً لأن هذا الغاز يتميز بخمول كيميائي فقد أطلق عليه اسم الأرجون ومعناه باليونانية خامل أو كسول

يوجد الأرجون طبيعياً في الصخورويتشكل في الهواء الجوي بنسبة 0.93 % حجماً , ويعتبر أعلى الغازات النبيلة في نسبة تواجده

يتم إطلاق الأرجون بصفة مستمرة في الغلاف الجوي من انحلال البوتاسيوم المشعّ في قشرة الأرض

ويوجد الأرجون في جو المريخ بنسبة 1.6%

الكريبتون

أكتشف الكريبتون من قبل الكيميائيان البريطانيان السير ويليام رامزي وموريس ترافرس عام 1898م عند إجراء عملية التقطير التجزيئي للهواء المسال

وسمي كريبتون ومعناها باليونانية الخفي

يوجد القليل من غاز الكريبتون في الغاز الطبيعي وفي البراكين , ولكن معظم وجوده يكون في الغلاف الجوي للأرض حيث يوجد بنسبة 0.0001 % حجماً

الزينون

اكتشف الزينون عالما الكيمياء البريطانيان السير ويليام رامزي وموريس ترافرس عام 1898م عندما كانا يدرسان الهواء السائل.

وسمي زينون وتعني باليونانية غريب

يوجد الزينون بكميات قليلة في الجو (بنسبة 0.0000087 % ) , ويعتبر أقل الغازات النبيلة في نسبة تواجده في الغلاف الجوي للأرض , كما يوجد في جو المريخ بحدود حوالي 0.08 جزء بالمليون

الرادون

الرادون غاز مشع اكتشف عام 1900 م بواسطة العالم فريديريتش إيرنست دورن (Fredrich Ernst Dorn)

اشتق اسم الرادون من الراديوم حيث أنه يتكون بسبب الانحلال الإشعاعي لعنصر الراديوم. ويتكون الراديوم بدوره نتيجة للانحلال الإشعاعي لليورانيوم. ينطلق الرادون إلى الجو من التربة والصخور ويتسرب إلى المنازل من خلال الشقوق الموجودة في أرضيات وجدران الدور السفلي من المبنى

يسبب الرادون الشديد التركيز، سرطان الرئة، إذا تمَّ استنشاقه بكميات كبيرة. أما خارج المنازل، فيكون الرادون مخفّفًا إلى المستويات الآمنة التي لا تضر بالصحة العامة

أنون أوكتيوم Ununoctium

في عام 1999 أفادت الأبحاث في معمل لورانس بيركيلي القومي عن اكتشاف كل من العناصر 116, 118 في بحث تم نشره في (خطابات مراجعة الفيزياء)

وفى العام التالي , أعلنوا تراجعهم عن الإفادة السابقة بعد عدم استطاعة الأبحاث الوصول لنفس النتائج مرة أخرى. وفى يونيو عام 2022, أعلن مدير المعمل أن الإدعاء الأصلي باكتشاف العنصرين كان عن طريق فيكتور نينوف . أنون أوكتيوم هو اسم مؤقت بمعرفة (IUPAC)

طرق استخلاص الغازات النبيلة

تحضر الغازات النبيلة عادةً بالتقطير التجزيئي للهواء المسال إذ يحتوي الجزء الأكثر تطايراً على غازات النيتروجين والهيليوم والنيون . ويمكن التخلص من النيتروجين بالإسالة أولاً ثم بامتزازه على الفحم المنشط

يستخلص غاز الهيليوم من الغاز الطبيعي والحقول الغازية , وتتلخص عملية الاستخلاص بإدخال الغاز تحت ضغط منخفض ( 0.3 إلى 0.5 ضغط جوي ) وينزع منه الماء والمركبات الهيدروكربونية القابلة للتكثف , ومن ثم يمرر في جهاز تنقية لإزالة الغبار , وبعد ذلك يمرر إلى أبراج الامتصاص لإزالة غاز ثاني أكسيد الكربون CO2 بواسطة محلول من أحادي إيثانول أمين ( MEA ) وثنائي إيثيلين جليكول , وأخيراً يمرر في طبقة من البوكسيت , ولفصل الهيليوم الخام يدخل الغاز المنقى إلى وحدات خاصة ويبرد إلى درجة حرارة -156 درجة مئوية بواسطة التبادل الحراري مع الهيليوم الخام والغاز الطبيعي المستنزف , ويتم تمدد التيار المبرد في عمود فاصل حيث يتم تسييل الغاز الطبيعي وفصله , وذلك بواسطة مبردات حلزونية يمر فيها نيتروجين بارد تحت ضغط منخفض ويكون الغاز المتبقي عبارة عن 75 % هيليوم و25 % نيتروجين

ولتنقية غاز الهيليوم يتم أولاً فصل آثار الهيدروجين في مفاعل مع كمية صغيرة من الهواء , حيث يتم أكسدته إلى ماء فوق محفز من البلاتين , أما النيتروجين فيتم فصله بالتبريد إلى درجة حرارة أقل من -193 درجة مئوية , ويتم تنقيته من الشوائب الأخرى بواسطة الإمتزاز في وحدات خاصة .

ينتج الهيليوم في معظم الوحدات بدرجة غليان -268.9 درجة مئوية تحت ضغط جوي واحد بالمقارنة مع الهيدروجين الذي يغلي عند درجة حرارة -252 درجة مئوية

أما غاز الأرجون وكذلك النيون والكريبتون والزنيون فيتم تحضيرها تجارياً كمنتجات ثانوية من وحدات فصل الهواء بالتبريد , ويتم تقطير الهواء باستخدام أعمدة وأبراج مضاعفة خاصة , ويتم بعد ذلك فصل الغازات النبيلة عن طريق عمود في جانب الوحدة , يتم فصل الأرجون لأنه يغلي عند درجة أقل من درجة حرارة غليان الأكسجين , وبعد ذلك يسحب الأرجون من الطرف العلوي للعمود عند نقطة أعلى من مستوى منتج الأكسجين , ويتم تنقيته الأرجون الخام من الشوائب , مثل الأكسجين والنيتروجين في وحدات خاصة , وتتم إزالة الأكسجين على هيئة بخار ماء بإضافة الهيدروجين مع مادة محفزة عند درجة حرارة عالية , يجفف الغاز من بخار الماء الناتج في وحدات تجفيف خاصة , كما تتم إزالة النيتروجين بواسطة التقطير بالتبريد للحصول على الأرجون بنقاوة 99.999 %

أما الأنون أوكتيوم فقدأكتشف بقصف أهداف ( Pb ) بشعاع حادّ من أيونات الكريبتون الغنية بالطاقة

خواص الغازات النبيلة

جميع الغازات النبيلة عديمة اللون والطعم والرائحة يصعب إسالتها نظراً لانخفاض درجاتها الحرجة

تذوب في الماء بدرجة محسوسة فقابلية ذوبان الأرجون في الماء تفوق قابلية ذوبان الأكسجين

للغازات النبيلة قوى جذب داخلية ضعيفة للغاية بين ذراتها وبالتالى فإن لها درجات ذوبان وغليان منخفضة للغاية (تزداد درجات انصهار وغليان الغازات النبيلة بزيادة العدد الذري ). ولذا فإن هذه العناصر تكون في الحالة الغازية في الظروف العادية , حتى التي لها وزن ذري أكبر من الفلزات الصلبة

مركبات الغازات النبيلة

منذ اكتشاف الغازات النبيلة ولأكثر من 70 سنة ، كان يعتقد بأنها كانت غير تفاعلية ولا تكون مركبات على الإطلاق , ولكن ثبت الآن أن الغازات النبيلة تكون مركبات كيميائية أصيلة , باستثناء الهيليوم والنيون لم تعرف لهما مركبات حتى الآن

مركبات الزينون

تم اكتشاف أول مركب للغازات النبيلة من قِبل العالم نيل بارتلت (Bartlett) عندما اكتشف تفاعل الأكسجين مع سداسي فلوريد البلاتين PtF6 لتكوين المركب -[O2] [PtF6] , وحيث أن طاقة التأين لغاز الزينون قريبة من طاقة التأين لجزئ الأكسجين فقد توقع بارتلت أن يتفاعل الزينون مع PtF6 بنفس الطريقة التي يتفاعل بها الأكسجين

وفي عام 1962 حضر بارتلت المركب الأصفر البرتقالي XePtF6

وفي نفس العام تم تحضير أحد مركباته بمفاعلة الزينون مع الفلور على درجة حرارة 400 درجة مئوية , وقد وجد أن الزينون يتفاعل مع الفلور حتى على درجة حرارة الغرفة لتكوين XeF4 بوجود الضوء

Xe 2F2 ———> XeF4

وبعد ذلك تم تحضير العديد من مركبات الغازات النبيلة مع الفلور والأكسجين أهمها :

ثنائي فلوريد الزينون XeF2

مركب أبيض صلب بلّوري درجة غليانه 114 درجة مئوية ، ودرجة انصهاره 129درجة مئوية.

Xe F2 ——-> XeF2

سداسي فلوريد الزنيون XeF6

عبارة عن بلورات شفافة درجة غليانه 75.6 درجة مئوية ، ودرجة انصهارها 49.5درجة مئوية , ولايتكون هذا المركب إلا تحت ظروف خاصة , فلابد ألا تقل النسبة بين حجمي الفلور والزينون عن 20 وألا يقل الضغط عن 50 ضغط جوي , ويكون التفاعل سريعاً بين درجتي 200 و 250 درجة مئوية وتحت ضغط 200 جوي

Xe 3F2 ——> XeF6

مركبات الزينون مع الأكسجين

ثلاثي أكسيد الزينون XeO3

عبارة عن بلورات شفافة متفجرة درجة انصهاره 25درجة مئوية , عندما يصل درجة انصهاره يصبح غير مستقر وينفجر

XeF6 3H2O ——> XeO3 6HF

رباعي أكسيد الزينون XeO4

أيضاً عبارة عن بلورات شفافة متفجرة

مركبات الرادون

يتفاعل الرادون مع الفلور لينتج فلوريد الرادون RnF وهذا المركب يلمع بضوء أصفر في الحالة الصلبة

مركبات الكريبتون

يتفاعل الكريبتون مع الفلورإذا تعرض الغازان للإشعاع وهما تحت ضغط منخفض حيث يتكون ثاني فلوريد الكريبتون KrF2 وهو مادة بيضاء متبلرة

Kr F2 ——> KrF2

مركبات الأرجون

في عام 2000 كون مركب (أرجون هايدرو فلورايد HArF ) من قبل باحثين في جامعة هلسنكي عند تعريض الأشعة فوق البنفسجية على أرجون مجمد يحوي على كمية قليلة من الهيدروجين فلورايد , وفي عام 2022 تم اكتشاف ثاني فلوريد الأرجون ArF2

استخدامات الغازات النبيلة

للغازات النبيلة عدة استخدامات أهمها

الهيليوم

يستخدم الهيليوم في ملء المناطيد الضخمة والبالونات العلمية ، لأنه أخف من الهواء فهو ثاني أخف غاز موجود ، كما أنه لا يحترق أو ينفجر مما يجعل منه خيارا مناسبا لمثل هذا التطبيق

يستخدم خليط الهيليوم مع الأكسجين والنيتروجين لملء قوارير هواء تنفس الغواصين في الأعماق الكبيرة لأنه يساعد في منع التسمم الأكسجيني والاستبدال النيترجيني (دخول النيتروجين إلى الدم بدل الأكسجين الأمر الذي يؤثر على عمل الأعصاب ويعطي تأثيرا شبيها بالسُكر) تحت ضغوط الأعماق الكبيرة

يستخدم الهيليوم في بيئات تنمية البلورات الدقيقة في الظروف الحساسة لأنه لا يتفاعل ولا يؤثر في تركبها

يستخدم الهيليوم للمساعدة في ضغط الوقود الغازي المسال (كالهيدرجين السائل)، وذلك لأنه لا ينفجر تحت ضغوط أو درجات حرارة عالية

يستخدم خليط من الهيليوم والأكسجين لعلاج المرضى المصابين بداء الأزمة حيث يدخل هذا الخليط إلى الرئتين بسهولة أكثر من الهواء لأن ذرات الهيليوم أخف وزناً من جزيئات النيتروجين الموجودة في الهواء

يستخدم لتوفير جو خامل وعازل أثناء عمليات لحام بعض الفلزات وذلك لمنع تأكسدها .

النيون

يُستخدم النيون بصفة أساسية في ملء لمبات النيون للإضاءة وأنابيب لوحات الإعلان الكهربائية. ولونه العادي في لمبات الإضاءة برتقالي ـ أحمر فاقع

وإضافة بضع قطرات من الزئبق تجعل الضوء أزرق لامعًا. ويستخدم العديد من منارات الطائرات ضوء النيون لأنه يخترق الضباب. وقد أبلغ الطيارون أن منارات النيون أمكن رؤيتها على مسافة 32كم عندما استحالت رؤية الأضواء الأخرى. وتُصنع لمبات النيون بإزالة الهواء من الأنابيب الزجاجية ثمّ تُملأ بغاز النيون. وعندما يُسلط 15,000 فولطًا من الكهرباء على الأنبوب، يحدث تفريغ كهربائي ويتوهّج الأنبوب بوهج برتقالي أحمر. وبدلاً من الفتيلة فإن لمبة النيون لها قطبان كهربائيان محكما التثبيت. ويشكل النيون حزمة مضيئة بين هذين القطبين

الأرجون

يستخدم الأرجون في الصناعات التعدينية , فمثلاً يستخدم كغطاء واق من الأكسجين عند لحام بعض المعادن ( اللحام القوسي )

كما يستخدم في تنقية المعادن مثل الزركونيوم , والتيتانيوم , وعدة خلائط معدنية أخرى

أيضاً يستخدم الأرجون في المصابيح الضوئية حيث تسطع المصابيح المعبأة بالأرجون بضوء أزرق

الكريبتون

يستخدم الكريبتون في مصابيح الفلورسنت وفلاشات الكاميرات , وذلك لما يتميز به من سرعة عالية للإضاءة تساعد على التصوير الفوتوغرافي

كما يستخدم الكريبتون في بعض الصمامات الكهربائية ، وفي بعض أنابيب الإشارات المضيئة ذوات اللون الأخضر الضارب إلى الصفرة

الزينون

يستخدم الزينون في ملء زجاجات المصابيح الكهربائية ذات الاستخدام الخاص وهو ذو كفاءة عالية. حيث تعطي مصابيح الزينون إضاءة قوية تقارب في سطوعها ضوء الشمس وتتميز بإضاءتها عن مصباح التنجستن هالوجين بثلاثة أضعاف مع توفير 40% بالطاقة الكهربائية المستهلكة فمصباح الزينون يحتوي على كبسولة زجاجية مضغوط بها غاز الزينون مع خليط من غازات أخرى قابلة للاشتعال و يحتاج خليط الغازات داخل مصباح الزينون إلى نظام كهربائي خاص يوفر فولتية عالية تصل إلى 25 كيلو فولت لتشغيل المصباح

كما يُستخدم الزينون أيضًا في صناعة الحجرات الفقاعية ، وهي أدوات يستخدمها الفيزيائيون لدراسة الجسيمات النووية

الرادون

يستخدم الرادون في الطب لعلاج بعض الأمراض كالسرطان إلا أنه الآن يستبدل بأحد مماكنات الكوبلت