ก๊าซมีตระกูลที่หนักที่สุดคืออะไร?

ก๊าซมีตระกูลประกอบขึ้นเป็นหมู่ที่ 18 ของธาตุในตารางธาตุ (เดิมคือหมู่ VIII-A) องค์ประกอบเหล่านี้มีลักษณะพิเศษคือมีโครงแบบอิเล็กทรอนิกแบบเติมเชลล์ ซึ่งระดับพลังงานสุดท้ายมีวงโคจรแบบ syp เต็ม การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์นี้มีความเสถียรเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นสาเหตุที่องค์ประกอบเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องสร้างพันธะเคมีเพื่อใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเพื่อแสวงหาความเสถียรที่มากขึ้น ในความเป็นจริง ปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ที่องค์ประกอบอื่นๆ ในตารางธาตุทำปฏิกิริยานั้นเพื่อล้อมรอบตัวเองด้วยอิเล็กตรอน 8 ตัวเดียวกันกับที่ล้อมรอบก๊าซมีตระกูล สิ่งนี้เรียกว่ากฎออกเตต

ด้วยความจริงที่ว่าพวกมันเสถียรมาก องค์ประกอบกลุ่ม 18 นั้นเฉื่อยมากและไม่รวมกับองค์ประกอบอื่นใดเลย ยิ่งกว่านั้น องค์ประกอบเหล่านี้ไม่มีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะซึ่งกันและกัน และอันตรกิริยาเดียวที่เกิดขึ้นระหว่างสองอะตอมคือแรงกระจายลอนดอน ที่อ่อนแอ ด้วยเหตุนี้ ธาตุเหล่านี้จึงมีจุดเดือดต่ำมากและโดยทั่วไปจะอยู่ในสถานะก๊าซภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันปกติ ลักษณะทางเคมีกายภาพทั้งสองอย่างนี้ทำให้ธาตุเหล่านี้ได้ชื่อว่าก๊าซมีตระกูล

กล่าวโดยสรุป สิ่งที่ทำให้ก๊าซมีตระกูลเป็นก๊าซมีตระกูลคือก๊าซมีสถานะเป็นก๊าซและเฉื่อยทางเคมี นี่เป็นจุดสำคัญในการพิจารณาว่าก๊าซมีตระกูลใดหนักกว่า

ก๊าซมีตระกูลที่หนักที่สุดหมายความว่าอย่างไร

ก่อนอื่นมานิยามความหมายของคำว่า “ก๊าซมีตระกูลที่หนักที่สุด” ตัวระบุนี้สามารถมีการตีความอย่างใดอย่างหนึ่งจากสองความหมาย: ในแง่หนึ่งสามารถอ้างถึงองค์ประกอบที่เป็นก๊าซที่มีน้ำหนักอะตอมสูงสุด ในทางกลับกัน เราอาจหมายถึงก๊าซที่มีความหนาแน่นมากกว่า

แม้ว่าความหนาแน่นจะเป็นสัดส่วนกับมวลโมลาร์ของแก๊สและมวลโมลาร์ของแก๊สจะเพิ่มขึ้นเมื่อคุณเลื่อนลงมาตามกลุ่มต่างๆ ในตารางธาตุ คำตอบสำหรับคำถามที่ว่าแก๊สชนิดใดหนักกว่านั้นไม่ง่ายเหมือนการเลื่อนรายการลงไป รายการสุดท้ายในกลุ่ม

ในความเป็นจริง มีผู้สมัครสองคนสำหรับก๊าซมีตระกูลที่หนักที่สุด และไม่ใช่องค์ประกอบสุดท้ายในกลุ่ม

โอกานีสไม่ใช่ก๊าซมีตระกูลที่หนักที่สุด

ดังที่เราได้กล่าวถึงเมื่อครู่นี้ ตรงกันข้ามกับสัญชาตญาณเริ่มแรก ก๊าซมีตระกูลที่หนักที่สุดไม่ใช่สมาชิกคนสุดท้ายของกลุ่ม นั่นคือ โอกาเนสัน สัญลักษณ์ทางเคมี Og. นี่เป็นเพราะสาเหตุหลายประการ สำหรับผู้เริ่มต้น โอกาเนสันเป็นองค์ประกอบทรานแซคทิไนด์สังเคราะห์ ซึ่งหมายความว่าองค์ประกอบนี้ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ แต่ถูกสังเคราะห์ขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

ปัญหาเกี่ยวกับ oganeson และเหตุผลหลักที่เราไม่สามารถให้ชื่อก๊าซมีตระกูลที่หนักที่สุดแก่มันได้ ก็คือ มันมีอายุการใช้งานที่สั้นมาก น้อยกว่า 1 มิลลิวินาที นอกจากนี้ ธาตุสังเคราะห์ยังผลิตในปริมาณที่น้อยมาก ด้วยเหตุผลทั้งสองประการ แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสะสมอะตอมของโอกาเนสันให้เพียงพอในระยะเวลาที่นานพอที่จะวัดคุณสมบัติทางเคมีกายภาพของอะตอม ดังนั้นจึงไม่มีใครรู้แน่ชัดเกี่ยวกับสถานะทางกายภาพขององค์ประกอบนี้ที่อุณหภูมิและความดันปกติ

ในความเป็นจริง เป็นที่คาดกันว่าหากอยู่ได้นานเพียงพอ ธาตุนี้จะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง ในตัวมันเองทำให้คุณสมบัติดังกล่าวเป็น “ก๊าซมีตระกูล” ที่หนักที่สุดแม้ว่าจะเป็นองค์ประกอบที่หนักที่สุดที่มนุษย์รู้จักก็ตาม

ในทางกลับกัน มีการคำนวณทางทฤษฎีหลายอย่างเกี่ยวกับโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่องค์ประกอบนี้จะมี และผลลัพธ์ที่คาดไม่ถึงอย่างแท้จริง มีการตั้งสมมติฐานว่าประจุนิวเคลียร์ขนาดใหญ่จะเร่งอิเล็กตรอนให้เกือบความเร็วแสง ทำให้พวกมันมีพฤติกรรมแตกต่างจากธาตุอื่นๆ ที่รู้จักอย่างมาก ผลลัพธ์ที่ชัดเจนที่สุดคือเราไม่รู้ด้วยซ้ำว่ามันจะมีลักษณะเฉื่อยเฉื่อยเหมือนกับสมาชิกคนอื่น ๆ ในกลุ่มหรือไม่

ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ซีนอนสามารถคว้าถ้วยรางวัลมาได้

เนื่องจากก๊าซ โดยเฉพาะอย่างยิ่งก๊าซมีตระกูล ทำตัวเหมือนก๊าซในอุดมคติภายใต้สภาวะปกติของอุณหภูมิและความดัน ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นและมวลโมลาร์ของก๊าซจึงสามารถหาได้ง่าย ความสัมพันธ์นี้มอบให้โดย:

โดยที่ ρ คือความหนาแน่นของแก๊สในหน่วย g/L, P คือความดันในบรรยากาศ, T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์, R คือค่าคงที่ของแก๊สในอุดมคติ และ MM คือมวลโมลาร์ของแก๊ส อย่างที่คุณเห็นความหนาแน่นนั้นแปรผันโดยตรงกับมวลโมลาร์ หากเราพิจารณาว่าก๊าซมีตระกูลทั้งหมดอยู่ในรูปขององค์ประกอบเชิงเดี่ยว ธาตุที่หนาแน่นที่สุดควรเป็นเรดอน

อย่างไรก็ตาม ภายใต้เงื่อนไขพิเศษบางอย่าง (ใช้การปล่อยไฟฟ้าบนไอพ่นความเร็วเหนือเสียงของซีนอนที่เป็นก๊าซ) มีความเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนซีนอนเป็นไอออไนซ์ไดเมอร์หรือเป็นไอออนโมเลกุลไดอะตอมของสูตรXe ₂ ⁺ ก๊าซใหม่นี้จะมีมวลโมลาร์ 263 กรัม/โมล ซึ่งมากกว่ามวลโมลาร์ของเรดอน ซึ่งเท่ากับ 222 กรัม/โมล การมีมวลโมลาร์ที่สูงกว่า Xe ในรูปก๊าซนี้จะหนาแน่นกว่าก๊าซเรดอน ดังนั้นจึงขโมยมงกุฎไป

อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้น่าจะเป็นการคาดเดาอย่างมาก เนื่องจากสภาวะที่ไดเมอร์ก่อตัวขึ้นนั้นยากต่อการบำรุงรักษา ดังนั้นสปีชีส์โมเลกุลจึงคงอยู่ได้ในเวลาอันสั้น

ก๊าซมีตระกูลที่หนักที่สุดคือเรดอน (Rn)

จากข้อโต้แย้งข้างต้น เราสรุปได้ว่าก๊าซมีตระกูลที่หนักที่สุดคือเรดอน องค์ประกอบนี้เป็นก๊าซเฉื่อยไม่มีสีและไม่มีกลิ่นซึ่งมีกัมมันตภาพรังสีเช่นกัน

ในบรรดาธาตุทั้งหมดในกลุ่ม 18 เรดอนมีน้ำหนักอะตอมสูงสุด (222 u) และนอกเหนือจาก Xe ₂ ที่เป็นที่ถกเถียง กัน ยังเป็นก๊าซมีตระกูลที่มีความหนาแน่นมากที่สุด โดยมีความหนาแน่น 9.074 g/L ที่อุณหภูมิ 1 25°C และความดัน 1 atm

อ้างอิง

Dubé, P. (1991, 1 ธันวาคม). การระบายความร้อนเหนือเสียงของ excimers ก๊าซหายากตื่นเต้นในการปล่อยกระแสตรง กลุ่มสำนักพิมพ์จักษุ. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-16-23-1887

Jerabek, P. (2018, 31 มกราคม). ฟังก์ ชั่นการแปลอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของ Oganesson: ใกล้ถึงขีด จำกัด ของ Thomas-Fermi จดหมายทบทวนทางกายภาพ 120, 053001 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.053001

Lomaev, MI, Tarasenko, V., & Schitz, D. (2549, มิถุนายน) เอ็กซิแลมป์ซีนอนไดเมอ ร์กำลังสูง จดหมายฟิสิกส์ทางเทคนิค 32(6):495–497. https://www.researchgate.net/publication/243533559_A_high-power_xenon_dimer_excilamp

สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ. (2564). การหรี่ไฟซีนอน กศน. https://webbook.nist.gov/cgi/inchi/InChI%3D1S/Xe2/c1-2

Oganessian, YT และ Rykaczewski, KP (2015) หัวหาดบนเกาะแห่งความมั่นคง ฟิสิกส์ทูเดย์ 68, 8, 32 https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2880