Vzácne plyny – definícia, vlastnosti, výskyt a použitie

Vzácne plyny sú skupinou prvkov, ktoré sú za bežných podmienok všetky plynmi. Patria do 18. skupiny periodickej tabuľky prvkov. V bežných podmienkach sú väčšinou jednoatómové, to znamená, že každá molekula je tvorená jedným atómom. Sú charakteristické veľmi nízkou reaktivitou voči iným prvkám a preto sa často nazývajú „inertné“ alebo „vzácne“ plyny. Väčšina z nich má plný vonkajší elektrónový obal (oktét), zatiaľ čo hélium má plný obal z dvoch elektrónov (duet) — to tiež vysvetľuje ich stabilitu. Existuje šesť prirodzene sa vyskytujúcich vzácnych plynov:

• hélium
• neón
• argón
• krypton
• xenón
• radón

Základné fyzikálne a chemické vlastnosti

Vzácne plyny sú za normálnych podmienok bezfarebné, bez zápachu a jednoatómové plyny. Majú veľmi nízke body topenia a varu, ktoré sa so zvyšujúcim sa atómovým číslom zvyšujú (napr. hélium má bod varu približne 4,2 K, neón ~27 K, argón ~87 K, kryptón ~120 K, xenón ~165 K, radón ~211 K). Hustota, polarizovateľnosť a intermolekulárne van der Waalsove sily rastú smerom nadol v skupine, preto ťažšie vzácne plyny kondenzujú pri vyšších teplotách.

Elektrónová konfigurácia väčšiny z nich je ns2 np6 (plný oktét), čo spôsobuje, že sú veľmi málo reaktívne. Výnimkou je hélium, ktorý má konfiguráciu 1s2 (duet). Napriek svojej inercii môže niekoľko ťažších vzácnych plynov tvoriť zlúčeniny za špeciálnych podmienok — najznámejšie sú xenónové fluóridy (napr. XeF2, XeF4, XeF6) a kryptóndifluorid (KrF2). Zlúčeniny argónu či radónu sú zriedkavejšie a často experimentálne náročné na prípravu.

Výskyt v atmosfére a ťažba

Všetky tieto plyny sa nachádzajú vo vzduchu, pričom najvýraznejším predstaviteľom v atmosfére je argón, ktorý tvorí približne 0,93–0,94 % atmosféry. Ostatné sa vyskytujú ako stopové množstvá (neón, hélium, kryptón, xenón). Vzácne plyny sa získavajú z kvapalného vzduchu frakčnou destiláciou (väčšina – hlavne argón, neon, krypton, xenón) alebo zo zemného plynu a špeciálnych ložísk (hélium).

Použitie

• Hélium — chladenie (najmä supravodivé magnety v MRI prístrojoch), balóniky a airshipy (kvôli nízkej hustote a nehorľavosti), zmesné dýchacie plyny pre potápačov a pri vysokotlakovom zváraní.
• Neón — osvetľovanie a reklamné „neónové“ trubice, vysokonapäťové výbojky.
• Argón — inertné prostredie pri zváraní a metalurgických procesoch, plnenie žiaroviek, ochranná atmosféra pri výrobe polovodičov.
• Krypton — špeciálne výbojky a niektoré typy laserov; v optike a fotonike sa využívajú jeho spektroskopické či lasingové črty.
• Xenón — výbojky (napr. xenónové lampy používané v automobilových stretávacích svetlách), medicínske zobrazovanie a anestetikum v špeciálnych aplikáciách; tiež použitie v ionizačných laserov a v experimentoch.
• Radón — má obmedzené technologické použitia kvôli svojej rádioaktivite; historicky sa využíval v rádioterapii, dnes je jeho priamé použitie veľmi obmedzené a často sa považuje za biologické riziko.

Bezpečnosť a zdravotné riziká

Všeobecne sú vzácne plyny chemicky neškodné, avšak priestorové znižovanie kyslíka (napr. únik veľkého množstva inertného plynu do uzavretej miestnosti) môže viesť k uduseniu. Najvýraznejším zdravotným rizikom je radón, prírodne sa vyskytujúci rádioaktívny plyn, ktorý preniká zo zeminy do budov a je druhou najčastejšou príčinou rakoviny pľúc po fajčení. Pri práci s vysokotlakovými nádobami plynov treba dodržiavať bežné bezpečnostné postupy (správne hadice, regulátory, vetranie).

Historické poznámky

Vzácne plyny boli formálne objavené v 19. storočí. Ich objav súvisí s prácou Johna William Strutta (lord Rayleigh) a sir Williama Ramsaya — Rayleigh a Ramsay spoločne objavili argón a Ramsay následne izoloval a charakterizoval ďalšie vzácne plyny. lord Rayleigh a sir William Ramsay za prácu súvisiacu s objavmi vzácnych plynov získali v roku 1904 Nobelove ceny (Rayleigh — Nobelova cena za fyziku 1904, Ramsay — Nobelova cena za chémiu 1904).

Zo vzácnych plynov môžu vznikať zlúčeniny, najmä u ťažších členov skupiny (xenón, kryptón). Farebné výboje každého plynu pri elektrickom výboji sú typické a využívajú sa pri osvetľovaní a v reklame — pri výboji v trubiciach majú hélium, neón, argón, krypton a xenón odlišné farby (radón sa na osvetlenie z dôvodu rádioaktivity bežne nepoužíva).

Ununoctium (prvok 118) je považovaný za nadväzujúci prvok v tejto skupine — v súčasnosti je oficiálne nazývaný oganesón (Og) — avšak ide o syntetický, veľmi krátko žijúci prvok s extrémne krátkym polčasom rozpadu, takže jeho praktické použitie je v nearnej budúcnosti nepravdepodobné.

Objav vzácnych plynov je spätý s prácou lord Rayleigh a sir William Ramsay, ktorí v 90. rokoch 19. storočia identifikovali a izolovali nové plyny v atmosfére a v plynných zložkách. Rayleigh získal v roku 1904 Nobelovu cenu za fyziku za svoju prácu a Ramsay v tom istom roku Nobelovu cenu za chémiu za objav nových plynov a súvisiacu prácu.