Hvad er den tungeste ædelgas?

Ædelgasserne udgør gruppe 18 af grundstoffer i det periodiske system (tidligere gruppe VIII-A). Disse elementer er kendetegnet ved at have en skal-fyldt elektronisk konfiguration, hvor det sidste energiniveau har sine syp-orbitaler helt fyldt. Denne elektroniske konfiguration er særlig stabil, hvorfor disse elementer ikke har behov for at danne kemiske bindinger for at dele elektroner, der søger mere stabilitet. Faktisk gør de fleste af de kemiske reaktioner, som de andre grundstoffer i det periodiske system gennemgår, det for at omgive sig med de samme 8 elektroner, som omgiver ædelgasserne. Dette er kendt som oktetreglen.

Ved selve det faktum, at de er så stabile, er gruppe 18-elementerne også ekstremt inerte og kombineres ikke med stort set noget andet element. Desuden har disse elementer ikke engang en tendens til at binde sig til hinanden, og de eneste vekselvirkninger, der forekommer mellem to atomer, er svage London-spredningskræfter. Af denne grund har disse elementer meget lave kogepunkter og er generelt i en gasformig tilstand under normale temperatur- og trykforhold. Begge fysisk-kemiske egenskaber har givet disse elementer navnet ædelgasser.

Kort sagt, det, der gør ædelgasser til ædelgasser, er, at de er i en gasformig tilstand, og at de er kemisk inerte. Dette er et vigtigt punkt, når man skal afgøre, hvilken der er den tungeste ædelgas.

Hvad vil det sige at være den tungeste ædelgas?

Lad os først definere, hvad vi mener med “den tungeste ædelgas.” Denne kvalifikation kan faktisk have en af ​​to fortolkninger: På den ene side kan den referere til det gasformige element med den højeste atomvægt. På den anden side kunne vi henvise til den tættere gas.

Selvom massefylden er proportional med en gass molære masse, og den molære masse af gasser stiger, efterhånden som du går ned ad en gruppe i det periodiske system, er svaret på spørgsmålet om, hvilken gas der er tungere, ikke så simpelt som at rulle ned på listen for at det sidste punkt i gruppen.

Faktisk er der to kandidater til den tungeste ædelgas, og det er det sidste element i gruppen heller ikke.

Oganese er ikke den tungeste ædelgas.

Som vi nævnte for et øjeblik siden, i modsætning til den oprindelige intuition, er den tungeste ædelgas ikke det sidste medlem af gruppen, det vil sige oganeson, kemisk symbol Og. Dette skyldes flere årsager. Til at begynde med er oganeson et syntetisk transaktinid-element, hvilket betyder, at dette grundstof ikke findes i naturen, men blev syntetiseret i en partikelaccelerator gennem kernefusion.

Problemet med oganeson, og hovedårsagen til, at vi ikke kan give den titlen som den tungeste ædelgas, er, at den har en meget kort levetid; mindre end 1 ms. Ydermere produceres syntetiske elementer i ekstremt små mængder. Af begge grunde er det næsten umuligt at akkumulere nok oganeson-atomer over en lang nok tid til at måle dets fysisk-kemiske egenskaber. Derfor vides intet med sikkerhed om den fysiske tilstand af dette element ved normal temperatur og tryk.

Faktisk anslås det, at hvis det varede længe nok, ville dette grundstof være et fast stof ved stuetemperatur. Dette i sig selv diskvalificerer den som den tungeste “ædle gas”, på trods af at den er det tungeste element, som mennesket kender.

På den anden side er flere teoretiske beregninger også blevet udført på den elektroniske struktur, som dette element ville have, og resultaterne er virkelig uventede. Det antages, at den store nukleare ladning ville accelerere elektroner til næsten lysets hastighed, hvilket får dem til at opføre sig meget anderledes end andre kendte grundstoffer. Den klareste konsekvens af dette er, at vi ikke engang ved, om det ville have de samme inerte egenskaber som de andre medlemmer af gruppen.

Under visse betingelser kan xenon tage trofæet

Da gasser, især ædelgasser, opfører sig som ideelle gasser under normale temperatur- og trykforhold, kan der let opnås en sammenhæng mellem densiteten og den molære masse af en gas. Dette forhold er givet af:

hvor ρ er densiteten af ​​gassen i g/L, P er trykket i atmosfærer, T er den absolutte temperatur, R er den ideelle gaskonstant, og MM er gassens molære masse. Som du kan se, er tætheden direkte proportional med den molære masse. Hvis vi tænker på, at alle ædelgasser er i form af monoatomiske grundstoffer, bør det tætteste grundstof være radon.

Men under visse meget specielle forhold (påføring af elektriske udladninger på en supersonisk stråle af gasformigt xenon) er det muligt at omdanne xenon til ioniserede dimerer eller til diatomiske molekylære ioner med formlen Xe ₂ ⁺ . Denne nye gas vil have en molær masse på 263 g/mol, hvilket er større end radons molære masse, som er 222 g/mol. Med en højere molær masse ville denne gasform af Xe være tættere end gasformig radon og dermed stjæle kronen.

Dette ville dog være meget spekulativt, da betingelserne for dannelse af dimerer er vanskelige at opretholde, og dermed holder molekylearterne meget kort tid.

Den tungeste ædelgas er radon (Rn)

På baggrund af ovenstående argumenter konkluderer vi, at den tungeste ædelgas er radon. Dette grundstof er en inert, farveløs og lugtfri gas, der også er radioaktiv.

Af alle grundstofferne i gruppe 18 har radon den højeste atomvægt (222 u) og er, bortset fra den diskutable undtagelse af Xe ₂ , også den tætteste af ædelgasserne med en massefylde på 9,074 g/L ved en temperatur på 25 °C og et tryk på 1 atm.

Referencer

Dubé, P. (1991, 1. december). Supersonisk afkøling af excimerer af sjældne gasser exciteret i jævnstrømsudledninger . Optical Publishing Group. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-16-23-1887

Jerabek, P. (2018, 31. januar). Elektron- og nukleonlokaliseringsfunktioner af Oganesson: Nærmer sig Thomas-Fermi-grænsen . Physical Review Letters 120, 053001. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.053001

Lomaev, MI, Tarasenko, V., & Schitz, D. (2006, juni). En højeffekt xenon dimer excilampe . Teknisk Fysik Letters 32(6):495–497. https://www.researchgate.net/publication/243533559_A_high-power_xenon_dimer_excilamp

National Institute of Standards and Technology. (2021). Xenon dæmpning . NIST. https://webbook.nist.gov/cgi/inchi/InChI%3D1S/Xe2/c1-2

Oganessian, YT, & Rykaczewski, KP (2015). Et strandhoved på stabilitetens ø. Physics Today 68, 8, 32. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2880