Vilken är den tyngsta ädelgasen?

Ädelgaserna utgör grupp 18 av grundämnen i det periodiska systemet (tidigare grupp VIII-A). Dessa element kännetecknas av att de har en skalfylld elektronisk konfiguration där den sista energinivån har sina syp-orbitaler helt fyllda. Denna elektroniska konfiguration är särskilt stabil, varför dessa element inte behöver bilda kemiska bindningar för att dela elektroner som söker mer stabilitet. Faktum är att de flesta av de kemiska reaktioner som de andra elementen i det periodiska systemet genomgår gör det för att omge sig med samma 8 elektroner som omger ädelgaserna. Detta är känt som oktettregeln.

Genom att de är så stabila är elementen i grupp 18 också extremt inerta och kombineras inte med praktiskt taget något annat element. Dessutom har dessa element inte ens en tendens att binda till varandra, och de enda interaktioner som sker mellan två atomer är svaga London-spridningskrafter. Av denna anledning har dessa element mycket låga kokpunkter och är i allmänhet i ett gasformigt tillstånd under normala temperatur- och tryckförhållanden. Båda fysikalisk-kemiska egenskaperna har gett dessa grundämnen namnet ädelgaser.

Kort sagt, det som gör ädelgaser till ädelgaser är att de är i ett gasformigt tillstånd och att de är kemiskt inerta. Detta är en viktig punkt när man ska bestämma vilken som är den tyngre ädelgasen.

Vad innebär det att vara den tyngsta ädelgasen?

Låt oss först definiera vad vi menar med ”den tyngsta ädelgasen”. Denna kvalificering kan faktiskt ha en av två tolkningar: å ena sidan kan den hänvisa till det gasformiga elementet med högst atomvikt. Å andra sidan skulle vi kunna hänvisa till den tätare gasen.

Även om densiteten är proportionell mot den molära massan av en gas och den molära massan av gaser ökar när du går ner en grupp i det periodiska systemet, är svaret på frågan om vilken gas som är tyngre inte så enkelt som att scrolla ner i listan för att den sista punkten i gruppen.

Faktum är att det finns två kandidater till den tyngsta ädelgasen, och inte det sista elementet i gruppen heller.

Oganese är inte den tyngsta ädelgasen.

Som vi nämnde för ett ögonblick sedan, i motsats till den ursprungliga intuitionen, är den tyngsta ädelgasen inte den sista medlemmen i gruppen, det vill säga oganeson, kemisk symbol Og. Detta beror på flera skäl. Till att börja med är oganeson ett syntetiskt transaktinidelement, vilket betyder att detta element inte finns i naturen, utan syntetiserades i en partikelaccelerator genom kärnfusion.

Problemet med oganeson, och den främsta anledningen till att vi inte kan ge den titeln tyngsta ädelgasen, är att den har en mycket kort livslängd; mindre än 1 ms. Dessutom tillverkas syntetiska element i extremt små mängder. Av båda skäl är det nästan omöjligt att ackumulera tillräckligt med oganeson-atomer under tillräckligt lång tid för att mäta dess fysikalisk-kemiska egenskaper. Följaktligen är inget säkert känt om det fysiska tillståndet för detta element vid normal temperatur och tryck.

Faktum är att det uppskattas att om det varade tillräckligt länge skulle detta element vara ett fast ämne vid rumstemperatur. Detta i sig diskvalificerar den som den tyngsta ”ädelgasen”, trots att den är det tyngsta elementet som människan känner till.

Å andra sidan har flera teoretiska beräkningar också utförts på den elektroniska strukturen som detta element skulle ha och resultaten är verkligen oväntade. Det antas att den stora kärnladdningen skulle accelerera elektroner till nästan ljusets hastighet, vilket får dem att bete sig mycket annorlunda än andra kända grundämnen. Den tydligaste konsekvensen av detta är att vi inte riktigt ens vet om det skulle ha samma inerta egenskaper som de andra medlemmarna i gruppen.

Under vissa förutsättningar kan xenon ta pokalen

Eftersom gaser, särskilt ädelgaser, beter sig som idealgaser under normala temperatur- och tryckförhållanden kan ett förhållande mellan densiteten och molmassan hos en gas lätt erhållas. Detta förhållande ges av:

där ρ är gasens densitet i g/L, P är trycket i atmosfärer, T är den absoluta temperaturen, R är den ideala gaskonstanten och MM är gasens molära massa. Som du kan se är densiteten direkt proportionell mot molmassan. Om vi ​​anser att alla ädelgaser är i form av monoatomiska grundämnen, bör det tätaste grundämnet vara radon.

Under vissa mycket speciella förhållanden (tillämpning av elektriska urladdningar på en överljudsstråle av gasformigt xenon) är det dock möjligt att omvandla xenon till joniserade dimerer eller till diatomiska molekyljoner med formeln Xe ₂ ⁺ . Denna nya gas skulle ha en molmassa på 263 g/mol, vilket är större än radonets molmassa, som är 222 g/mol. Med en högre molmassa, skulle denna gasform av Xe vara tätare än gasformigt radon, och därmed stjäla kronan.

Detta skulle dock vara mycket spekulativt, eftersom de förhållanden under vilka dimerer bildas är svåra att upprätthålla, så att molekylarterna varar under en mycket kort tid.

Den tyngsta ädelgasen är radon (Rn)

Med tanke på ovanstående argument drar vi slutsatsen att den tyngsta ädelgasen är radon. Detta grundämne är en inert, färglös och luktfri gas som också är radioaktiv.

Av alla grundämnen i grupp 18 har radon den högsta atomvikten (222 u) och är, förutom det diskutabelt undantaget Xe ₂ , också den tätaste av ädelgaserna, med en densitet på 9,074 g/L vid en temperatur på 25 °C och ett tryck på 1 atm.

Referenser

Dubé, P. (1991, 1 december). Supersonisk kylning av ädelgasexcimerer exciterade i likströmsurladdningar . Optical Publishing Group. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-16-23-1887

Jerabek, P. (2018, 31 januari). Elektron- och nukleonlokaliseringsfunktioner hos Oganesson: Närmar sig Thomas-Fermi-gränsen . 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 högeffekts xenon-dimer excilamp . 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 dimning . NIST. https://webbook.nist.gov/cgi/inchi/InChI%3D1S/Xe2/c1-2

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