Grupa 18 – Helowce

Hel

Gaz bezbarwny, bez zapachu, praktycznie niereaktywny. Pod względem rozpowszechnienia we Wszechświecie plasuje się na drugim miejscu po wodorze. Na Ziemi, w atmosferze znajduje się 5 ppm helu, co czyni nieopłacalnym otrzymywanie go z powietrza (całkowitą ilość helu atmosferycznego szacuje się na 400 milionów ton). W większych ilościach spotykany jest w niektórych gazach pochodzenia naturalnego, gdzie jego zawartość dochodzi do 7%. Stąd jest też otrzymywany na skalę przemysłową. Znajduje zastosowanie głownie do napełniania balonów, oraz w mieszaninie z tlenem jako gaz, którym oddychają nurkowie. Biorąc pod uwagę jego niską temperaturę skraplania służy w laboratoriach do prac związanych z niskimi temperaturami. W kosmonautyce stosuje się go do usztywniania konstrukcji rakiet przed startem i jako gaz tłoczący paliwo do silników. W medycynie wykorzystuje się hel jako dodatek do atmosfery podawanej chorym mającym problemy z oddychaniem. Strumień zjonizowanego helu znajduje zastosowanie przy leczeniu guzów i skrzepów. Był stosowany do napełniania żarówek jako gaz ochronny, a także przy produkcji neonów. Hel podczas przepuszczania przez niego wyładowań elektrycznych emituje żółte światło, a zmieszany z rtęcią - niebieskie. Odkrycie świecenia niektórych gazów podczas przepuszczania prze nie prądu elektrycznego zawdzięczamy Georgesowi Claude.

Odkrycie tego pierwiastka nastąpiło po tym jak William Ramsay dowiedział się, że w USA otrzymano z minerału uranowego próbki gazu, uważanego za azot. Po sprawdzeniu jego linii spektralnych stwierdził, że nie są one podobne do linii azotu, a przypominają linie światła słonecznego zaobserwowane przez Pierr’a J. Janssena podczas zaćmienia słońca w 1868 roku. Anglik Joseph N. Lockeyr przypisał to widmo nowemu pierwiastkowi, który nazwał helem. Potwierdzenie tego, iż jest to nowy pierwiastek przypisuje się naukowcom wymienionym powyżej.

Neon

Bezbarwny, bezwonny, gazowy pierwiastek należący do grupy gazów szlachetnych. W naturze występuje w postaci trzech izotopów o masie atomowej: 20 (główny) oraz 21 i 22. Wykorzystując neon udowodniono istnienie trwałych izotopów (1912 r.). Neon występuje w niewielkich ilościach w atmosferze. Zawartość w atmosferze 1,61·10^–3% objętościowych. Neon otrzymuje się z atmosfery wykorzystując destylację frakcyjną powietrza, wydzielenie helowców z azotu poprzez skroplenie, absorpcję w węglu aktywnym i ostatecznie desorpcję frakcyjną. Do oddzielenia od pozostałych helowców wykorzystuje się właściwość różnego przenikania tych gazów przez materiały, różne szybkości dyfuzji w obcym, łatwo usuwalnym gazie oraz metody sita molekularnego. Używany głównie do celów reklamowych. Wypełnia się nim lampy wyładowcze (rury neonowe, neony). W czystym neonie wyładowanie elektryczne świeci w kolorze pomarańczowo-czerwonym. Dodatki innych helowców i par rtęci zmieniają kolor wyładowania. Ciekły neon, obok helu, używany jest w kriogenice.

Argon

Argon, najbardziej rozpowszechniony w atmosferze ziemskiej gaz szlachetny, jest bezbarwnym, bezwonnym i występującym jako pojedyncze atomy pierwiastkiem. Występuje na Ziemi tylko jako składnik atmosfery (0,93%). W skorupie ziemskiej 4·10^–6% wagowego. Do oddzielenia argonu od innych atmosferycznych gazów stosuje się destylację frakcyjną płynnego powietrza. Używany jest, razem z azotem, do wypełniania lamp elektrycznych. Zapobiega to spalaniu się elementów żarzących i naparowywaniu metalu żarnika na wewnętrzne części szkła. Tańszy azot jest gorszy w tej roli ze względu na gorsze przewodzenie ciepła. Argon, obok neonu, jest wykorzystywany także do wypełniania lamp neonowych. Podczas wyładowania świeci niebieskim światłem. Lampy wyładowcze z argonem mają niższe napięcia, przy których następuje wyładowanie i dlatego niewielkie ilości tego gazu dodawane są do lamp z neonem. Pierwiastek ten znajduje także zastosowanie jako osłona przed powietrzem podczas spawania i cięcia metali łukiem elektrycznym. Jest również używany w technice laserowej.

Krypton

Krypton, bezbarwny, bezwonny gaz jest jednym z helowców (gazów szlachetnych). Jego elektrony walencyjne nie tworzą już tak trwałej powłoki jak to ma miejsce w przypadku lżejszych helowców. Udaje się utworzyć jedyny znany związek tego pierwiastka – fluorek kryptonu – (KrF₂). Występuje w niewielkich ilościach w atmosferze (około 0,000108 % obj.). Produkuje się go głównie w procesie destylacji skroplonego powietrza i w sztucznych reakcjach rozszczepienia jądrowego. Kryptonu używa się głównie w reklamowych lampach wyładowczych, gdzie emituje on charakterystyczne, jasne, pomarańczowe światło. Lampy takie stosuje się też na lotniskach jako znaki dla samolotów. Ich światło jest lepiej widoczne z większej odległości i w czasie ograniczonej widoczności.  W 1960 roku Międzynarodowa Komisja Miar i Wag wybrała krypton jako nowoczesną miarę jednostki długości - metra. Obecna definicja metra to 1650763,73 długości fali światła emitowanej przez izotop kryptonu przy określonym przejściu elektronu na niższy poziom energetyczny.

Ksenon

Ksenon jest bezbarwnym, bezwonnym, gazem szlachetnym. Przez dłuższy czas uważano go za pierwiastek bezwzględnie obojętny chemicznie, ale w 1962 roku udało się zsyntetyzować kilka jego związków. Używa się go głównie w takich urządzeniach jak lampy fotograficzne dużej szybkości. Pary tego pierwiastka w lampach wyładowczych emitują kolor niebieski. Występuje w atmosferze w ilościach śladowych. Otrzymuje się go, podobnie jak inne gazy szlachetne, w procesie destylacji skroplonego powietrza. Zawartość w powietrzu 8·10^–6% obj.

Związki ksenonu:

Pierwszym połączeniem tego typu był otrzymany przez Bartletta  heksafluoroplatynian ksenonu – XePtF₆. Związek został otrzymany w wyniku działania ksenonu na sześciofluorek platyny. Jest ciałem stałym barwy czerwonopomarańczowej. Trwały w temperaturze pokojowej, ma budowę jonową, w próżni daje się sublimować. Ogrzewany w temperaturach powyżej 430K oddaje częściowo ksenon tworząc Xe(PtF₆)₂, ciało stałe o barwie czerwonej. W reakcji z wodą XePtF₆ gwałtownie hydrolizuje:
2XePtF₆ + 6H₂O → 2Xe + O₂ + 2PtO₂
Po wykazaniu przez Bertletta możliwości tworzenia związków przez gazy szlachetne Claassen, Malm i Selig otrzymali  XeF₄. Został on zsyntetyzowany w wyniku bezpośredniej reakcji pomiędzy pierwiastkami. Mieszaninę fluoru i ksenonu ogrzewano w zamkniętym niklowym naczyniu w temperaturze 670K i następnie gwałtownie ochłodzono do temperatury pokojowej. Obecnie fluorki ksenonu XeF₂, XeF₄ i XeF₆ otrzymuje się ogrzewając lub poddając wyładowaniom elektrycznym mieszaninę pierwiastków o odpowiednim składzie. Fluorki te są w temperaturze pokojowej bezbarwnymi ciałami stałymi łatwo sublimującymi w próżni. Wszystkie te połączenia dobrze rozpuszczają się w ciekłym HF, przy czym roztwory dwóch pierwszych nie przewodzą prądu elektrycznego, a sześciofluorek ulega dysocjacji:
XeF₆ + HF → XeF₅⁺ + HF₂^– 
W czasie ogrzewania fluorki ksenonu rozkładają się na pierwiastki i wykazują silne działanie utleniające. XeF₂, XeF₄ rozpuszczają się w wodzie ulegając z czasem rozkładowi. Natomiast sześciofluorek w obecności małych ilości wody hydrolizuje do XeOF₄ i XeO₂F₂. Jeśli rozpuszcza się XeF₆ w większej ilości wody otrzymuje się XeO₃. Trójtlenek ksenonu w roztworze wodnym wykazuje działanie utleniające. Po dodaniu do roztworu wodorotlenku baru wytrąca się nadksenian baru Ba₂XeO₆. Nadksenian baru jest związkiem trwałym. Pod działaniem kwasu siarkowego(VI) wydziela się nietrwały XeO₄. Czterotlenek jest gazem ulegającym bardzo łatwo wybuchowi. XeF₆ reaguje z fluorkami litowców tworząc dwa szeregi związków: M⁺[XeF₇]^- i M₂⁺[XeF₈]^2-. Oktafluorokseniany są najtrwalszymi połączeniami tego pierwiastka. Można je ogrzewać do temperatury 670K bez rozkładu. Oprócz fluorków ksenon tworzy też chlorki (XeCl₂ i XeCl₄) oraz bromek (XeBr₂). Dla kryptonu stwierdzono występowanie fluorku KrF₂.

Radon

Pierwiastek ten jest najcięższym znanym gazem szlachetnym. W roku 1962 udało się wytworzyć jego związki. Istnieje dziewiętnaście izotopów radonu, najtrwalszy z nich to ²²²Rn (czas połowicznego rozpadu około 4 dni). Ten najbardziej rozpowszechniony izotop jest naturalnym produktem rozpadu uranu i jego niewielkie ilości występują w glebie i skałach tworząc mierzalne promieniowanie tła. Istnieje podejrzenie, że koncentracje tego izotopu mogą powodować raka płuc. Pod względem występowania w wierzchniej warstwie skorupy ziemskiej (litosfera, hydrosfera, atmosfera) zajmuje ok. 88 miejsca (procenty wagowe). Izotop radonu o masie atomowej 222 znalazł zastosowanie w leczeniu ciężkich przypadków raka. Niewielką ilość tego promieniotwórczego gazu, zamkniętą w szklanym pojemniku (tzw. ziarno radonowe) wszczepia się do chorej tkanki (tkanka nowotworowa jest bardziej wrażliwa na promieniowanie).