Hva er den tyngste edelgassen?

Edelgassene utgjør gruppe 18 av grunnstoffene i det periodiske system (tidligere gruppe VIII-A). Disse elementene er karakterisert ved å ha en skallfylt elektronisk konfigurasjon der det siste energinivået har sine syp-orbitaler fullstendig fylt. Denne elektroniske konfigurasjonen er spesielt stabil, og det er grunnen til at disse elementene ikke har behov for å danne kjemiske bindinger for å dele elektroner som søker mer stabilitet. Faktisk gjør de fleste av de kjemiske reaksjonene som de andre elementene i det periodiske systemet gjennomgår det for å omgi seg med de samme 8 elektronene som omgir edelgassene. Dette er kjent som oktettregelen.

Ved selve det faktum at de er så stabile, er gruppe 18-elementene også ekstremt inerte og kombineres ikke med praktisk talt noe annet element. Videre har disse elementene ikke engang en tendens til å binde seg til hverandre, og de eneste interaksjonene som skjer mellom to atomer er svake London-spredningskrefter. Av denne grunn har disse elementene svært lave kokepunkter og er generelt i gassform under normale temperatur- og trykkforhold. Begge de fysisk-kjemiske egenskapene har gitt disse elementene navnet på edelgasser.

Kort sagt, det som gjør edelgasser til edle gasser er at de er i gassform og at de er kjemisk inerte. Dette er et viktig poeng når man skal bestemme hvilken som er den tyngre edelgassen.

Hva vil det si å være den tyngste edelgassen?

La oss først definere hva vi mener med «den tyngste edelgassen». Denne kvalifikatoren kan faktisk ha en av to tolkninger: på den ene siden kan den referere til det gassformige elementet med høyest atomvekt. På den annen side kan vi referere til den tettere gassen.

Selv om tettheten er proporsjonal med den molare massen til en gass og den molare massen av gasser øker når du går nedover en gruppe i det periodiske systemet, er svaret på spørsmålet om hvilken gass som er tyngre ikke så enkelt som å bla nedover listen for å det siste elementet i gruppen.

Faktisk er det to kandidater til den tyngste edelgassen, og heller ikke det siste elementet i gruppen.

Oganese er ikke den tyngste edelgassen.

Som vi nevnte for et øyeblikk siden, i motsetning til den opprinnelige intuisjonen, er ikke den tyngste edelgassen det siste medlemmet av gruppen, det vil si oganeson, kjemisk symbol Og. Dette skyldes flere årsaker. For det første er oganeson et syntetisk transaktinid-element, som betyr at dette elementet ikke eksisterer i naturen, men ble syntetisert i en partikkelakselerator gjennom kjernefysisk fusjon.

Problemet med oganeson, og hovedgrunnen til at vi ikke kan gi den tittelen som tyngste edelgass, er at den har svært kort levetid; mindre enn 1 ms. Dessuten produseres syntetiske elementer i ekstremt små mengder. Av begge grunner er det nesten umulig å akkumulere nok oganeson-atomer over lang nok tid til å måle dets fysisk-kjemiske egenskaper. Følgelig er ingenting kjent med sikkerhet om den fysiske tilstanden til dette elementet ved normal temperatur og trykk.

Faktisk er det anslått at hvis det varte lenge nok, ville dette elementet være et fast stoff ved romtemperatur. Dette i seg selv diskvalifiserer den som den tyngste «edelgassen», til tross for at den er det tyngste elementet mennesket kjenner til.

På den annen side har det også blitt utført flere teoretiske beregninger på den elektroniske strukturen som dette elementet ville ha, og resultatene er virkelig uventede. Det antas at den store kjerneladningen vil akselerere elektroner til nesten lysets hastighet, noe som får dem til å oppføre seg veldig annerledes enn andre kjente grunnstoffer. Den klareste konsekvensen av dette er at vi egentlig ikke engang vet om den ville ha de samme inerte egenskapene som de andre medlemmene i gruppen.

Under visse forhold kan xenon ta trofeet

Siden gasser, spesielt edelgasser, oppfører seg som ideelle gasser under normale temperatur- og trykkforhold, kan det lett oppnås et forhold mellom tettheten og molarmassen til en gass. Dette forholdet er gitt av:

der ρ er tettheten til gassen i g/L, P er trykket i atmosfærer, T er den absolutte temperaturen, R er den ideelle gasskonstanten, og MM er den molare massen til gassen. Som du kan se, er tettheten direkte proporsjonal med den molare massen. Hvis vi tar i betraktning at alle edelgasser er i form av monoatomiske grunnstoffer, bør det tetteste grunnstoffet være radon.

Under visse helt spesielle forhold (påføring av elektriske utladninger på en supersonisk stråle av gassformig xenon) er det imidlertid mulig å omdanne xenon til ioniserte dimerer eller til diatomiske molekylære ioner med formelen Xe ₂ ⁺ . Denne nye gassen vil ha en molar masse på 263 g/mol, som er større enn den molare massen av radon, som er 222 g/mol. Med en høyere molar masse, ville denne gassformen av Xe være tettere enn gassformig radon, og dermed stjele kronen.

Dette vil imidlertid være svært spekulativt, siden forholdene der dimerer dannes er vanskelige å opprettholde, og dermed varer molekylartene i svært kort tid.

Den tyngste edelgassen er radon (Rn)

Gitt de ovennevnte argumentene konkluderer vi med at den tyngste edelgassen er radon. Dette grunnstoffet er en inert, fargeløs og luktfri gass som også er radioaktiv.

Av alle grunnstoffene i gruppe 18 har radon den høyeste atomvekten (222 u) og er, bortsett fra det diskutable unntaket av Xe ₂ , også den tetteste av edelgassene, med en tetthet på 9,074 g/L ved en temperatur på 25 °C og et trykk på 1 atm.

Referanser

Dubé, P. (1991, 1. desember). Supersonisk kjøling av eksimerer av sjeldne gasser eksitert i likestrømsutslipp . Optical Publishing Group. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-16-23-1887

Jerabek, P. (2018, 31. januar). Elektron- og nukleonlokaliseringsfunksjoner til Oganesson: Nærmer seg Thomas-Fermi-grensen . 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 høyeffekts xenon-dimer-eksilamp . Teknisk fysikkbrev 32(6):495–497. https://www.researchgate.net/publication/243533559_A_high-power_xenon_dimer_excilamp

Nasjonalt institutt for standarder og teknologi. (2021). Xenon dimming . NIST. https://webbook.nist.gov/cgi/inchi/InChI%3D1S/Xe2/c1-2

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