سالروز ولادت امام هادی سلام الله علیه مبارک باد.

گاز نجیب چیست: خواص و کاربرد گازهای نجیب

گاز نجیب چیست؟

گازهای نجیب، گازهای گروه هجدهم جدول تناوبی هستند که در شرایط عادی با سایر عناصر واکنش نمی‌دهند و ترکیب نمی‌شوند، زیرا لایه ظرفیت اتم‌های‌شان پر است. وقتی لایه ظرفیت اتم‌ها پر باشد، پایدار می‌شوند، پس طبیعی است که میل‌شان به واکنش با دیگر عناصر شدیداً کاهش می‌یابد. نام شش گاز نجیب جدول تناوبی «هلیوم»، «آرگون»، «کریپتون»، «زنون»، «نئون» و «رادون» است. همه گازهای نجیب در دما و فشار عادی، به حالت گاز هستند. توجه داشته باشید که گازهای نجیب، همگی گاز بی‌اثر نیز محسوب می‌شوند اما گاز بی‌اثر همان گاز نجیب نیست. این موضوع را بعدا در همین مقاله توضیح می‌دهیم. در ادامه بیشتر بررسی می‌کنیم که گاز نجیب چیست و گازهای نجیب چه کاربردها و چه ویژگی‌هایی دارند.


گاز نجیب چیست؟

به عناصر گروه هجدهم جدول تناوبی که اتم‌های‌شان در دما و فشار عادی به‌حالت گاز هستند و با عناصر دیگر واکنش نمی‌دهند و ترکیب نمی‌شوند، گاز نجیب (noble gas) می‌گوییم. ما کلاً شش گاز نجیب داریم.

نام گازهای نجیب

گروه هجدهم جدول تناوبی هفت عنصر دارد که شش عنصر اول گاز نجیب هستند. فهرست نام گازهای نجیب:

  • هلیوم (He)
  • آرگون (Ar)
  • کریپتون (Kr)
  • زنون (Xe)
  • نئون (Ne)
  • رادون (Rn)

توجه: اوگانسون (Og) نیز عضو گروه هجدهم جدول تناوبی است اما گاز نجیب نیست، زیرا برخلاف گازهای نجیب تا حد زیادی واکنش‌پذیر است. اوگانسون در طبیعت وجود ندارد بلکه عنصر مصنوعی است، یعنی در آزمایشگاه تولید می‌شود. برای تولید اوگانسون، اتم‌های کالیفرنیوم را درون راکتورهای هسته‌ای با اتم‌های کلسیم بمباران می‌کنند. اوگانسون تازه‌ترین عنصری است که به جدول تناوبی عناصر اضافه شده است و قبلا تصور می‌شد که در شرایط عادی به‌حالت گاز است، اما بررسی‌های جدید نشان می‌دهند که ممکن است در شرایط عادی جامد باشد. اوگانسون بسیار ناپایدار است و نیمه‌ی عمر آن کمتر از یک میلی‌ثانیه است. لذا حالت و ویژگی‌هایش هنوز کاملا مشخص نیست.

گاز نجیب چیست: گازهای نجیب در جدول تناوبی عناصر

گازهای نجیب در جدول تناوبی عناصر: شش عنصر اول در گروه هجدهم (آخرین ستون در سمت راست جدول) گاز نجیب هستند.


چرا گازهای نجیب واکنش‌پذیر نیستند؟

واکنش‌پذیری هر اتم به آرایش الکترونی آن بستگی دارد. در گازهای نجیب، آخرین لایه‌ اتم‌ها ظرفیت‌ الکترونی‌شان را پر کرده‌اند. یعنی نه برای جذب الکترونِ بیشتر جای خالی دارند و نه لازم است الکترون از دست بدهند تا به پایداری برسند. به‌همین سبب، اتم‌های گازهای نجیب پایدار هستند و حتی به ترکیب شدن با اتم‌های مشابه خود نیز تمایلی ندارند. البته باید اضافه کنیم که گازهای نجیب در شرایط عادی یعنی در دمای معمولی و تحت فشار عادی روی زمین واکنش‌ناپذیرند، اما اگر دما بیش از حد کاهش و یا فشار بیش از حد افزایش یابد، واکنش‌پذیری گازهای نجیب تا حدی بیشتر می‌شود.

چرا گازهای نجیب پایدارند؟

گازهای نجیب پایدارند، چون لایه ظرفیت آن‌ها پر است. به بیرونی‌ترین لایه الکترونیِ هر اتم، لایه ظرفیت می‌گویند. وقتی لایه ظرفیت اتم‌ پر باشد، نه دوست دارد به اتم‌های دیگر الکترون بدهد و نه دوست دارد از اتم‌های دیگر الکترون بگیرد. به همین علت گازهای نجیب در شرایط عادی با سایر عناصر واکنش نمی‌دهند و ترکیب نمی‌شوند. همین ویژگی سبب می‌شود گازهای نجیب در بعضی از صنایع کاربردهای مهمی داشته باشند (بخش کاربرد گازهای نجیب چیست در همین مقاله را ببینید).


تفاوت گاز بی‌اثر و گاز نجیب چیست؟

گازهای بی‌اثر (inert gases) نیز مثل گازهای نجیب در شرایط عادی با عناصر دیگر واکنش نمی‌دهند و ترکیب نمی‌شوند. اما این دو با وجود ویژگی مشترک‌شان تفاوت ظریفی هم دارند:

  • همه گازهای نجیب، عناصر خالص هستند. مثلا گاز هلیوم تماماً حاوی اتم‌های هلیوم است و هیچ اتم یا مولکول دیگری ندارد.
  • اما گاز بی‌اثر می‌تواند عنصر خالص یا ماده ترکیبی باشد. برای مثال، دی‌اکسیدکربن یکی از گازهای بی‌اثر و ترکیبی از اتم‌های اکسیژن و کربن است. پس در واقع، گازهای بی‌اثر خانواده بزرگتری هستند که گازهای نجیب را هم شامل می‌شوند.

برای روشن‌تر شدن موضوع به مثال زیر دقت کنید:

  • هلیوم گاز نجیب است و جزو گازهای بی‌اثر هم محسوب می‌شود.
  • دی‌اکسید کربن گاز بی‌اثر است اما جزو گازهای نجیب نیست.

خواص شیمیایی و فیزیکی گازهای نجیب

همه گازهای نجیب نافلز هستند و در دما و فشار عادی، گاز بی‌رنگ هستند. آن‌ها تنها ۱ درصد از جرم هوا را تشکیل می‌دهند. در بین گازهای نجیب آرگون از بقیه فراوان‌تر است. در ادامه، به بعضی از خواص فیزیکی و شیمیایی گازهای نجیب از جمله به عدد اتمی، آرایش الکترونی، دمای ذوب و دمای جوش و به فراوانی آن‌ها در هواکره اشاره می‌کنیم.

دمای ذوب و دمای جوش گازهای نجیب

دمای ذوب و دمای جوش گازهای نجیب بسیار پایین است (و کمتر از دمای اتاق است) زیرا نیروهای واندِروال که مولکول‌ها را کنار هم نگه می‌دارد، در آن‌ها ضعیف است.

جدول دمای ذوب و دمای جوش گازهای نجیب

گاز نجیب دمای ذوب گازهای نجیب (سانتی‌گراد) دمای جوش گازهای نجیب (سانتی‌گراد)
هلیوم (He) ۲۷۲.۲- ۲۶۸.۹-
نئون (Ne) ۲۴۹- ۲۴۶-
آرگون (Ar) ۱۸۹- ۱۸۶-
کریپتون (Kr) ۱۵۷- ۱۵۳-
زنون یا گزنون (Xe) ۱۱۲- ۱۰۷-
رادون (Rn) ۷۷- ۶۲-

عدد اتمی گازهای نجیب

عدد اتمی گازهای نجیب به ترتیب چنین است:

  • هلیوم: ۲
  • نئون: ۱۰
  • آرگون: ۱۸
  • کریپتون: ۳۶
  • زنون: ۵۴
  • رادون: ۸۶

آرایش الکترونی گازهای نجیب

لایه ظرفیت همه اتم‌های گازهای نجیب، پر است و به همین علت پایدار هستند و به واکنش شیمیایی و ترکیب با اتم‌های دیگر تمایل ندارند.

جدول آرایش الکترونی گازهای نجیب

عدد اتمی

نام گاز نجیب

آرایش الکترونی گاز نجیب

۲

هلیوم

۲

۱۰

نئون

۲, ۸

۱۸

آرگون

۲, ۸, ۸

۳۶

کریپتون

۲, ۸, ۱۸, ۸

۵۴

زنون

۲, ۸, ۱۸, ۱۸, ۸

۸۶

رادون

۲, ۸, ۱۸, ۳۲, ۱۸, ۸

همانطور که در جدول بالا و نیز در تصویر پایین می‌بینیم، لایه ظرفیت اتم همه گازهای نجیب، کاملا پر است.

آرایش الکترونی در اتم گازهای نجیب

آرایش الکترونی اتم‌های گازهای نجیب: لایه ظرفیت اتم هر شش گاز نجیب، پر است.


سنگین‌ترین گاز نجیب

رادون سنگین‌ترین گاز نجیب است، زیرا جرم اتمی بیشتری دارد. جرم اتمی رادون ۲۲۲ واحد است. ضمنا رادون تنها عنصر پرتوزا یا اصطلاحا رادیو اکتیو در بین گازهای نجیب است.

سبک‌ترین گاز نجیب

هلیوم سبک‌ترین گاز نجیب است، زیرا جرم اتمی کمتری دارد. جرم اتمی هلیوم تقریبا ۴ (و دقیقا ۴.۰۰۲۶۰۲) واحد است.

فراوان‌ترین گاز نجیب هواکره

آرگون فراوان‌ترین گاز نجیب در هواکره یا جو زمین است. البته سهم آرگون از گازهای جو زمین فقط ۰.۹ درصد است، اما در مقایسه با سایر گازهای نجیب، فراوانی بیشتری دارد. فراوانی گازهای هواکره چنین است:

  • نیتروژن: حدود ۷۸ درصد
  • اکسیژن: ۲۱ درصد
  • آرگون: ۰.۹ درصد
  • سایر گازها: ۰.۱ درصد

گازهای نجیب در طبیعت چگونه یافت می‌شوند؟

همه گازهای نجیب در جو زمین وجود دارند. البته مقدار آن‌ها بسیار کم است. ضمنا هلیوم و رادون ابتدائاً در هوا تولید نمی‌شوند بلکه در اثر فعل و انفعال‌های شیمیایی در زمین پدید می‌آیند و سپس به جو زمین راه پیدا می‌کنند. مثلا هلیوم عمدتاً در اثر فروپاشی رادیو اکتیو عناصری مثل اورانیوم و توریم در زمین تولید می‌شود و آنگاه به جو زمین راه می‌یابد. رادون نیز که تنها گاز نجیب پرتوزا (رادیو اکتیو) است، از تجزیه رادیو اکتیو طبیعی اورانیوم در سنگ‌ها و خاک‌ها تولید می‌شود و سپس به جو زمین می‌گریزد. درصدی از سایر گازهای نجیب در هواکره تولید می‌شوند. مثلا ایزوتوپ کریپتون ۸۱ در اثر تابش پرتوهای کیهانی با جو زمین تولید می‌شود.


کاربرد گازهای نجیب چیست؟

گازهای نجیب چون با عناصر دیگر واکنش نمی‌دهند، می‌توانند برای ایجاد محیط‌های غیرواکنشی به‌کار روند. برای مثال، وقتی جوشکاری می‌کنید، دمای محیط به‌شدت افزایش می‌یابد و اگر از گاز نجیب استفاده نکنید، فلز با اکسیژن واکنش می‌دهد و اکسید می‌شود. اما با استفاده از گاز نجیب (بویژه آرگون یا هلیوم که ارزان‌تر هستند) می‌توانید محیط را غیرواکنشی کنید تا نگذارید فلزی که مشغول جوش‌کاری آن هستید، اکسید شود. لذا گازهای نجیب به‌سبب همین ویژگی‌شان علاوه بر جوشکاری در برش و پالایش فلزاتی مثل آلومینیوم نیز کاربرد دارند.

البته گازهای نجیب هر کدام خواص و کاربردهای دیگر هم دارند که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

هلیوم: خواص و کاربرد گاز نجیب هلیوم چیست؟

سبکی هلیوم: چگالی هلیوم بسیار کمتر از چگالی هوای معمولی است فلذا از هوا سبک‌تر است. به‌همین سبب اگر بادکنک‌ را از هلیوم پر کنند، بالا می‌رود. هیدروژن از هلیوم سبک‌تر است اما در عوض، هلیوم ایمن‌تر است چون هیدروژن خیلی زود آتش می‌گیرد اما هلیوم اشتعال‌پذیر نیست.

کاربرد هلیوم در غواصی: هوای معمولی حاوی اکسیژن و نیتروژن است. تنفس نیتروژن در شرایط عادی هیچ مشکلی ایجاد نمی‌کند اما اگر فشار هوا زیاد باشد، تنفس آن سبب بی‌حالی و حتی بی‌هوشی می‌شود. در عمق آب نیز فشار هوا زیاد است. به‌همین‌ علت، داخل کپسول غواصی به‌جای هوای معمولی (اکسیژن و نیتروژن) از مخلوط اکسیژن و هلیوم استفاده می‌کنند، چون هلیوم دیرتر از نیتروژن جذب خون می‌شود. اگر کپسول، حاوی هوای فشرده معمولی باشد، با تنفس آن، نیتروژن قابل‌توجهی جذب خون شود. لذا برای مثال، وقتی غواص به‌سرعت از عمق به سطح آب می‌آید و هوای آزاد تنفس می‌کند، بیشتر نیتروژنی که تحت فشار بالا در عمق آب جذب خون شده بود، مجددا از خون خارج می‌شود و داخل رگ حباب‌هایی تشکیل می‌دهد که جلوی گردش خون را می‌گیرد و برای غواص خطرناک است. اما اگر هلیوم را با اکسیژن مخلوط کنید، از بروز این حالت جلوگیری می‌شود.

گاز محافظ (shielding gas): هلیوم در حیطه‌هایی مثل جوشکاری قوس الکتریکی فلزات برای ایجاد محیط  غیرواکنشی یا اصطلاحا بی‌اثر به کار می‌رود. در جوشکاری قوس الکتریکی، بین الکترودی که جوشکار در دست دارد و آنچه که مشغول جوشکاری آن است و به طرف مخالف منبع الکتریکی متصل است، جریان الکتریکی ایجاد می‌شود و ایجاد همین جریان، حرارت لازم برای جوشکاری را فراهم می‌کند. در جوشکاری قوس الکتریکی، هم الکترود و هم حوضچه مذاب و هم قطعات فلزی متاثر از حرارت باید از واکنش (اکسیداسیون) با هوای اطراف محافظت شوند. بنابراین باید از گاز محافظ مثل آرگون، هلیوم یا مخلوطی از آنها بهره برد.

هلیوم مایع

هلیوم مایع چند ویژگی‌ بارز دارد. در فشار ۱ اتمسفر و در دمای ۴.۱۸ کلوین تا ۲۰۱۸ کلوین مایع معمولی است و با نماد He-I نشان داده می‌شود. وقتی دما به کمتر از ۲.۱۸ کلوین برسد، همچنان مایع است اما ویژگی‌های منحصربه‌فردی پیدا می‌کند و آن‌را با نماد He-II نشان می‌دهند. هلیوم He-II مایع خواص عجیبی دارد؛ مثلا نمی‌توان آن‌را در یک ظرف باز محبوس کرد زیرا روی دیواره‌ها می‌خزد و خودش را از ظرف بیرون می‌کشد!

گاز نجیب چیست: مخازن برودتی هلیوم مایع

مخازن برودتی مخصوص هلیوم مایع

رسانایی گرما و الکتریسیته هلیوم مایع He-II چندصد برابر رسانایی مس در دمای عادی است. لذا هلیوم مایع He-II در واقع ابررسانا است. هنوز برای ویژگی‌های عجیب و غیرعادی هلیوم مایع He-II توضیح علمی دقیقی ارائه نشده است. هلیوم تحت فشار عادی و در کمترین دمایی که تاکنون در آزمایشگاه ایجاد شده است، مایع باقی می‌ماند. معلوم نیست که اگر می‌شد هلیوم مایع را بدون فشردن تا صفر مطلق خنک کرد، آیا یخ می‌زد یا نه.

نئون: خواص و کاربرد گاز نجیب نئون چیست؟

نئون یکی از معروف‌ترین گازهای نجیب است زیرا سال‌هاست که چراغ‌های نئونی را در ویترین و تابلوی سر در مغازه‌ها دیده‌اید. وقتی جریان برق از میان گاز نئون تحت فشار کم عبور کند، نئون می‌درخشد و نور قرمز منتشر می‌کند. اگر نئون را با بخار جیوه و آرگون مخلوط کنید، می‌توانید رنگ نور آن‌را تغییر دهید.

آرگون: خواص و کاربرد گاز نجیب آرگون چیست؟

آرگون هم مثل همه گازهای نجیب، از نظر شیمیایی بی‌اثر است. از آرگون در لامپ‌های رشته‌ای استفاده می‌شود زیرا رشته فلزی در آرگون نمی‌سوزد (یعنی آرگون از اکسید شدن رشته داغ درون لامپ جلوگیری می‌کند و درنتیجه عمر لامپ بیشتر می‌شود.) ضمنا آرگون چون از نظر شیمیایی بی‌اثرتر است و رسانایی حرارتی پایین‌تری دارد، برای این منظور از نیتروژن نیز بهتر است. آرگون همچنین در جوشکاری قوس الکتریکی فلزات به عنوان گاز محافظ برای تولید جو غیرواکنشی استفاده می‌شود. آرگون در مقایسه با سایر گازهای نجیب در هوا فراوان‌تر است. لذا تولید آن کم‌هزینه‌تر است و تقریبا همه‌جا می‌تواند به عنوان جو بی‌اثر ارزان به کار رود.

کریپتون: خواص و کاربرد گاز نجیب کریپتون چیست؟

کریپتون در لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های چشمک‌زن و در پرتوهای لیزر به کار می‌رود. لامپ‌هایی که با کریپتون پر می‌شوند در بعضی از فرودگاه‌ها به عنوان چراغ‌های نزدیک شدن (approach light) استفاده می‌شوند زیرا نور آن‌ها می‌تواند به‌خوبی از میان مه متراکم نیز عبور کند.

زنون (گزنون): خواص و کاربرد گاز نجیب زنون چیست؟

زنون یا گزنون در لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های چشمک‌زن و پرتوهای لیزر استفاده می‌شود. گاز زنون در صورت وجود در لوله‌های تخلیه، نور فوری و شدید از خود ساطع می‌کند. همین ویژگی زنون سبب می‌شود تا در فلاش دوربین‌های عکاسی که مستلزم انتشار سریع نور است به کار رود.

رادون: خواص و کاربرد گاز نجیب رادون چیست؟

رادون عنصر پرتوزا یا رادیواکتیو است و در پزشکی به عنوان منبع انتشار اشعه گاما استفاده می‌شود.


رنگ نور گازهای نجیب هنگام تخلیه الکتریکی

گاز نجیب چیست: رنگ نور گازهای نجیب هنگام تخلیه الکتریکی

رنگ نور پنج گاز نجیب هنگام عبور جریان برق از آنها

گازهای نجیب بی‌رنگ هستند اما اگر از بین اتم‌های گازهای مختلف جریان برق عبور دهیم، اتم‌های گاز اصطلاحا برانگیخته می‌شوند و نورافشانی می‌کنند. به چنین پدیده‌ای تخلیه الکتریکی (electrical discharge) می‌گوییم. برای مثال لامپ‌‌های نئون در تابلوی مغازه‌ها با همین روش نورافشانی می‌کنند. هر گاز در صورت عبور جریان برق با رنگ خاصی می‌درخشد.

رنگ نور گازهای نجیب هنگام تخلیه الکتریکی چنین است:

  • هلیوم: زرد (کم‌رنگ)
  • آرگون: ارغوانی
  • نئون: نارنجی (مایل به سرخ)
  • زنون: آبی (بسیار روشن مایل به سفید)
  • کریپتون: آبی (روشن)
  • رادون: بنفش یا ارغوانی

دانستنی‌های کوتاه درباره گازهای نجیب

  • هلیوم پایدارترین گاز نجیب است.
  • شدت سرما در قطب جنوب سبب می‌شود رادون از گاز به مایع تغییر حالت دهد.
  • همه گازهای نجیب در آب حل می‌شوند اما رادون سریع‌تر از همه در آب حل می‌شود.
  • از بعضی از گازهای نجیب برای تولید لیزر استفاده می‌شود. لیزری که با استفاده از کرپیتون تولید می‌شود، در جراحی نیز کاربرد دارد.
  • لامپ‌هایی که حاوی نئون خالص باشند، نور نارنجی منتشر می‌کنند.
  • زنون گران‌ترین و چگال‌ترین گاز است.
  • نئون، آرگون، کریپتون و زنون را می‌توان از تقطیر جزئی هوای مایع به دست آورد (با این روش کمی هلیوم هم به دست می‌آید). ضمنا از نمک رادیوم، رادون به دست می‌آید.

جمع‌بندی: منظور از گازهای نجیب چیست و چه خواص و کاربردهایی دارد؟

گفتیم که به شش عنصر گروه ۱۸ جدول تناوبی گاز نجیب می‌گوییم زیرا بسیار پایدار و آرام و غیرواکنشی هستند، یعنی در شرایط عادی خیلی سخت با عناصر دیگر واکنش می‌دهند. علت غیرواکنشی بودن گازهای نجیب، پر بودن لایه ظرفیت اتم‌های‌شان است. لایه ظرفیت همه اتم‌های گازهای نجیب کاملا پر است. لذا نه لازم است الکترون جذب کنند و نه لازم است که الکترون از دست بدهند. آرگون فراوان‌ترین گاز نجیب در هواکره یا همان جو زمین است. البته کمتر از ۱ درصد گازهای جو زمین آرگون است اما همین مقدار نیز در مقایسه با سایر گازهای نجیب، بیشتر است. گازهای نجیب چون غیرواکنشی هستند، می‌توانند در صنایع مثل جوشکاری، برش و پالایش فلزات به‌کار روند. آن ها محیط را غیرواکنشی می‌کنند تا عناصر با هم واکنش ندهند و ماهیت‌شان عوض نشود.