Kimyasal özellikleri
Neonun, bütün soygazlarda olduğu gibi değerlik kabuğu tamamen doludur. Helyum dışında bütün soygazların en dış elektron kabuğunda sekiz elektron bulunur. Helyumun en dış elektron kabuğunda ise iki tane elektron vardır.
Soygazlar standart şartlar altında renksiz, kokusuz, tatsız ve yanmazdır. Bu elementler eskiden periyodik tablonun 0. grubu
olarak anlıyordu, çünkü soygazların sıfır valansa sahip olduğuna ve atomlarının diğer elementler ile birleşip bileşik oluşturamayacağına inanılıyordu. Ancak sonra bazılarının bileşik oluşturabildiği bulunduğunda bu isimlendirme kullanımdan kalktı. 18. grubun en yeni üyesi ununoktiyumun (Uuo) özellikleri hakkında bilinenler çok kısıtlıdır.
Diğer gruplar gibi bu ailenin üyeleri de elektron konfigürasyonlarında örnekler gösterir, özellikle en dış elektron kabuğu kimyasal davranıştaki eğilimin sonucudur:
Z Element Elektron sayısı/kabuk 2 helyum 2 10 neon 2, 8 18 argon 2, 8, 8 36 kripton 2, 8, 18, 8 54 ksenon 2, 8, 18, 18, 8 86 radon 2, 8, 18, 32, 18, 8 118 ununoktiyum 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 Soygazlar tamamen dolu valans elektron kabuğuna sahiptir. Valans elektronları bir atomun en dış elektronlarıdır ve normal olarak kimyasal bağa iştirak eden yegane elektronlardır. Tamamen dolu valans elektron kabuğuna sahip atomlar son derece kararlıdır bu yüzden kimyasal bağ oluşturma eğilimi göstermezler ve elektron kaybetmeye ya da kazanmaya az meyillidirler. Ancak radon gibi ağır soygazlarda, helyum gibi daha hafif soygazlardakine oranla, elektromanyetik kuvvet elektronları sıkıca bir arada tutamaz, bu sayede ağır soygazların en dış elektronlarının çıkarılması daha kolaydır.
Dolu kabuğun sonucu olarak, soygazlar elektron konfigürasyonu notasyonu ile birlikte soygaz notasyonu
nu oluşturabilirler. Bunu yapmak için söz konusu elementten önce gelen soygaz önce yazılır ve sonrasında elektron konfigürasyonu bu noktadan ileriye doğru devam ettirilir. Örneğin karbonun elektron notasyonu 1s²2s²2p² şeklindedir ve soygaz notasyonu da [He]2s²2p²'dir. Bu notasyon elementlerin tanımlanmasını kolaylaştırır ve bütün atomik yörüngelerin yazılmasından daha kısadır. Bileşikleri Ana madde: Soygaz bileşiği
Keşfedilen ilk soygaz bileşiklerinden biri olan XeF4'nin yapısı
Soygazlar son derece düşük kimyasal reaktiflik gösterir; bundan dolayı sadce birkaç yüz tane soygaz bileşiği oluşmuştur. Ksenon, kripton ve argon sadece küçük düzeylerde reaktiflik gösterirken, helyum ve neonun dahil olduğu kimyasal bağlarda yüksüz bileşik oluşmaz (yine de birkaç helyum bileşiğinin varlığına dair kuramsal kanıtlar mevcuttur). Soygazların reaktiflik sıralaması Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn şeklindedir.
1933'te Linus Pauling, ağır soygazların flor ve oksijen ile bileşik oluşturabileceğini tahmin etti. Pauling kripton heksaflorür (KrF6) ve ksenon heksaflorür (XeF6) bileşiklerinin varolduğunu ve XeF8'nin kararsız bir bileşik olabileceğini öngördü ve xenic acid'in perxenate tuzları olşturabileceğini ortaya attı. Şimdilerde hem termodinamik olarak hem de kinetik olarak kararsız olduğu düşünülen XeF8 dışındaki bu öngörülerin genel olarak doğru olduğu gösterildi.
Ksenon bileşikleri soygaz bileşiklerinin en kalabalık grubudur. Bu (ksenon diflorür (XeF2), ksenon tetraflorür (XeF4), ksenon heksaflorür (XeF6), ksenon tetroksit (XeO4), ve sodyum perxenate (Na4XeO6) gibi) bileşiklerin çoğunda oksidasyon seviyesi +2, +4, +6 veya +8 olan ve oksijen ve flor gibi son derece elektronegatif atomlarla bağ oluşturan ksenon atomu bulunur. Bu bileşiklerin bazıları kimyasal sentezde oksitleyici ajan olarak kullanılır: özellikle florinasyon ajanı olarak kullanılan XeF2 piyasada mevcuttur. 2007'ye kadar, organoksenon bileşikleri (bunlar karbona bağlıdır) ve azot, klor, altın, cıva, ksenonun kendisine bağlı olanları da içeren diğer elementlere nağlı halde yaklaşık beş yüz ksenon bileşiği belirlendi. Ksenonun bor, hidrojen, brom, iyot, berilyum, sülfür, titanyum, bakır ve gümüşe bağlandığı bileşikler de görülmüştür ancak sadece düşük sıcaklıklarda soygaz matrislerinde veya süpersonik soygaz jetlerinde.
Teoride radon ksenondan daha reaktif olduğundan ksenonun yaptığından daha kolay kimyasal bağ oluşturması beklenir. Ancak radon izotoplarının yüksek radyoaktivitesi ve kısa ömrü sebebiyle radon pratikte sadece birkaç florür ve oksit oluşturabilir.
Kripton ksenondan daha az reaktiftir, ancak +2 oksidasyon durumunda birkaç kriptonlu bileşik bildirilmiştir. Kripton diflorür en bilinen ve kolayca karakterize edilebilen bileşiktir. Kriptonun azot ve oksijen ile tek bağ oluşturduğu da bilinmektedir ancak bunlar sadece −60 °C (−76.0 °F) ve −90 °C (−130.0 °F) sıcaklıklarının altında kararlıdır.
Kripton atomlarının diğer ametallerle (hidrojen, klor, karbon) ve bazı geçiş metalleriyle (bakır, gümüş, altın), kimyasal bağları gözlendi ancak sadece ya düşük sıcaklıklarda soygaz matrikslerinde ya da süpersonik soygaz jetlerinde gözlendi.Benzer koşullar 2000'de argon fluorohydride (HArF) gibi argonun ilk birkaç bileşiğinin ve bazı geçiş metalleriyle oluşturduğu bağların elde edilmesinde kullanıldı. 2007 itibarı ile bilinen helyum ve neonun dahil olduğu kovalent bağlı herhangi bir kararlı nötral molekül bulunmamaktadır.
Helyum da dahil olmak üzere soygazlar kararlı moleküler iyonlar oluşturabilir. Bunun en basiti 1925'te keşfedilen helyum hidrit moleküler iyonudur (HeH+). Evrendeki en bol iki elementin (hidrojen ve helyum) bileşiminden oluştuğu için bu iyonun, henüz saptanmamış olsa da, yıldızlararası ortamda doğal olarak bulunabileceğine inanılıyor. Bu iyonlara ek olarak soygazların bilinen birçok nötr eksimeri bulunmaktadır. Bunlar sadece uyarılmış elektron durumunda kararlı olan ArF ve KrF gibi bileşiklerdir. Bu bileşiklerden bazıları eksimer lazerlerde kullanılır.
Soygazlar kovalent bağ oluşturdukları bileşiklere ek olarak non-kovalent bağla da bileşik oluşturabilirler. İlk kez 1949'da tanımlanan klatratlar (kafes bileşikleri), belli başlı organik ve inorganik maddelerin kristal kafeslerindeki boşluklarda (kavite) tuzaklanmış soygazlar içerir. Bunların oluşumu için gerekli şart, ziyaretçinin (soygaz) ev sahibi kristal kafesin boşluğuna yerleşebilmesi için uygun boyutta olmasıdır. Örneğin argon, kripton ve ksenon, hidrokuinon ile klatrat oluşturabilir ancak helyum ve neon çok küçük olduğundan veya tutulabilmesi için yeterince kutuplanabilir olmadığından, oluşturamaz. Neon, argon, kripton ve ksenon soygazın buz içinde tuzaklandığı klatrat hidratlar da oluşturabilir.
Bir soygaz atomu içeren bir endohedral fulleren bileşiği
Soygazlar, soygaz atomunun fulleren molekülü içinde tuzaklandığı endohedral fulleren bileşikleri oluşturabilir. 1993'te 60 karbon atomu içeren bir küresel molekül C60 yüksek basınç altında soygazlara maruz bırakıldığında He@C60 gibi koordinasyon bileşiklerinin (kompleks) oluşabileceği keşfedildi (@
notasyonu He'nin C60 içerdiğini ancak ona kovalent olarak bağlanmadığını belirtir). 2008 itibarı ile helyum, neon, argon, kripton ve ksenonlu endohedral kompleksler elde edildi. These compounds have found use in the study of the structure and reactivity of fullerenes by means of the nuclear magnetic resonance of the noble gas atom.
3-merkez-4-elektron bağ modeline göre XeF2'deki bağ.
Ksenon diflorür (XeF2) gibi soygaz bileşikleri, oktet kuralının ihlal ettikleri için hipervalent olarak kabul edilirler. Bu bileşiklerdeki bağlanma bir 3-merkez-4-elektron bağ modeli kullanılarak açıklanabilir. İlk olarak 1951'de önerilen bu model üç doğrudaş (kolineer) atomun bağlanmasını göz önünde bulundurur. Örneğin XeF2'deki bağlanma her atomun p-orbitalinden kaynaklanan üç moleküler orbital (MOs) ile tanımlanır. Bağlanma Xe'den gelen dolu bir p-orbitali ve her bir F atomundan gelen yarı dolu bir p-orbitalinden ileri gelir, bu da dolu bir bağ orbitali, dolu bir bağ yapmayan orbital ve bir bağönler orbital ile sonuçlanır. En yüksek dolu moleküler orbital (HOMO) iki uç atomda lokalize olmuştur. Bulunuş ve üretim
Soygazların bolluğu, atom numaraları artarken azalır. Yaklaşık %24'lük kütle kesri ile birlikte helyum hidrojenden sonra evrendeki en yaygın elementtir. Evrendeki helyumun büyük kısmı Büyük Patlama nükleosentezi esnasında oluştu, ancak yıldız nükleosentezindeki hüdrojen füzyonu sebebiyle helyum miktarı durmadan artmaktadır. Dünya'daki bolluk farklı eğilimlere bağlıdır; örneğin helyum atmosferdeki üçüncü en bol soygazdır. Bunun sebebi atmosferde hiç ilkel helyumun bulunmamasıdır. Atomunun küçük kütleli olması sebebiyle helyum Dünya'nın gravitasyonel alanında tutulamazdı. Dünya'daki helyum, yerkabuğunda bulunan uranyum ve toryum gibi ağır elementlerin alfa bozunumundan gelir ve bu helyum doğal gaz birikintilerinde toplanma eğilimindedir. Diğer taraftan argon elementinin bolluğu potasyum-40'ın beta bozunumu sonucunda artar, ayrıca argonun, Güneş Sistemi'nde göreli olarak seyrek olmasına rağmen Dünya'daki en bol izotopu olan argon-40 şeklinde yerkabuğunda bulunmaktadır. Bu süreç potasyum argon tarihleme yönteminin temelidir. Beklenmedik bir şekilde ksenonun atmosferdeki bolluğu düşüktür. Kayıp ksenon problemi olarak anılan bu olay bir teoriye göre ksenonun yerkabuğunda bulunan minerallerce tuzaklanmasından kaynaklanmaktadır. Radon litosferde radyumun alfa buzunumu yapması sonucunda oluşur. Binaların temelindeki yarıklardan içeri sızabilen radon iyi havalandırılmayan alanlarda birikebilir. Yüksek radyoaktifliği dolayısı ile önemli bir sağlık tehdidi olan radon sadece ABD'de yılda yaklaşık 21,000 akciğer kanseri kaynaklı ölüme sebep olmaktadır.
Bolluk Helyum Neon Argon Kripton Ksenon Radon Güneş Sistemi (her bir silisyum atomu için) 2343 2.148 0.1025 5.515 × 10−5 5.391 × 10−6 – Dünya atmosferi (hacim kesri ppm) 5.20 18.20 9340.00 1.10 0.09 (0.06 – 18) × 10−19 Volkanik kaya (ktle kesri ppm) 3 × 10−3 7 × 10−5 4 × 10−2 – – 1.7 × 10−10 Gas 2004 fiyatı (USD/m3) Helyum (endüstriyel sınıf) 4.20–4.90 Helyum (laboratuvar sınıfı) 22.30–44.90 Argon 2.70–8.50 Neon 60–120 Kripton 400–500 Ksenon 4000–5000
Neon, argon, kripton ve ksenon gazların sıvılaştırılması yöntemi kullanılarak havadan elde edilir. Böylece elementler sıvı hale getirilir ve ayrımsal damıtma yöntemi ile de karışım bileşenlere ayrılır. Helyum genellikle doğal gazdan ayrılarak üretilir ve radon radyum bileşiklerinin radyoaktif bozunumundan izole edilir. Soygazların fiyatı doğal bulunuşlarından etkileşnmiştir. Argon en ucuzu iken ksenon en pahalı soygazdır. Bir örnek oluşturması için sağdaki listede herbir gazın laboratuvar miktarı için ABD'deki 2004 fiyatları verilmiştir. Kullanım
Sıvı helyum modern MRI tarayıcılarında süperiletken mıknatısların soğutulması için kullanılır.
Soygazlar çok düşük erime ve kaynama noktasına sahiptir, bu yüzden de kriyojenik soğutucu olarak kullanışlıdırlar. Özellikle kaynama noktası 4.2 K (−268.95 °C; −452.11 °F) olan sıvı helyum, nükleer manyetik rezonans görüntüleme ve nükleer manyetik rezonansta ihtiyaç duyulan, süper iletkenli mıknatıslar için kullanılır. Sıvı neon, sıvı helyum kadar düşük sıcaklıklara ulaşamamasına rağmen kriyojenikte kullanılır çünkü sıvı helyumdan 40 kat ve sıvı hidrojenden üç kattan fazla soğutma kapasitesine sahiptir.
Helyum, sıvılardaki özellikle de lipitlerdeki düşük çözünürlüğü sebebiyle solunum gazı bileşeni olarak azotun yerine kullanılır. Gazlar, aletli dalışta olduğu gibi basınç altında kan ve doku tarafından absorbe edilir ve derinlik sarhoşluğu (azot narkozu) olarak bilinen anestezik etkiye sebep olur. Düşük çözünürlüğü nedeniyle az miktarda helyum hücre zarlarından içeri alınır ve helyum trimix
(helyum-oksijen-nitrojen) ve heliox
'ta (helyum-oksijen) olduğu gibi solunum gazı parçası olarak kullanılırsa gazın derindeki narkotik etkisinde düşme olur. Helyumun düşük çözünürlüğünun bunlardan başka bir getirisi de dekompresyon hastalığı olarak bilinen durumda ek avantajlar sağlamasıdır. Vücutta çözünmüş gazın küçük miktarda bulunması, yükselme sırasında basınçtaki düşüşle birlikte daha az gazın kabarcık şekline dönüşmesi anlamına gelir. Diğer bir soygaz argonun ise aletli dalış için kuru elbisede şişirme gazı olarak kullanımının en iyi seçenek olduğu kabul edilir.
İkonik Goodyear Zeplinlerinden The Spirit of Goodyear
1937'deki Hindenburg
faciasından sonra, helyum, yüzme özelliğindeki %8.6 düşüşe rağmen hafifliği ve tutuşmazlığı sebebiyle zeplin ve balonlarda kaldırma gazı olarak hidrojenin yerini aldı.
Birçok uygulamada soygazlar inert atmosfer (nötr veya yansız atmosfer) sağlamak amacıyla kullanılır. Argon azota hassas olan havaya hassas bileşiklerin sentezinde kullanılır. Katı argon ayrıca, reaksiyon ara ürünleri gibi çok kararsız bileşiklerin araştırılmasında da kullanılır. Bu araştırmalarda bileşikler çok düşük sıcaklıklarda bir inert matrikste tuzaklanır. Helyum gaz kromatografisinde taşıyıcı ortam olarak, termometrelerde gaz dolgusu olarak ve kabarcık odası ve Geiger sayacı gibi radyasyon ölçmeye yarayan aletlerde kullanılır. Helyum ve argon genellikle ark kaynaklarında koruma oluşturması için kullanılır ve kaynak ve kesme esnasında ana metalin etrafını sarar. Ayrıca diğer metalurjik süreçlerde ve yarı iletken endüstrisindeki silisyum ve germanyum üretiminde koruyucu soygaz olarak kullanılır.
IMAX projektörlerinde kullanılan 15,000-watt'lık ksenon kısa yay lambası
Soygazlar düşük kimyasal reaksiyon ilgisi nedeniyle aydınlatmada sıkça kullanılır. Azot ile karıştırılan argon, akkor lambalar için gaz dolgusu olarak kullanılır. Daha yüksek renk sıcaklığına ve verimliliğe sahip kripton, yüksek performanslı lambalarda kullanılır çünkü o filamanın buharlaşma oranını argondan daha fazla düşürür. Halojen lambalarda, özellikle az miktarda iyot ve brom bileşikleri ile karıştırılan kripton kullanır. Soygazlar gaz deşarj lambalarında kullanıldığında ayırdedici renklerde korlaşırlar. Ksenon genellikle ksenon yay lambalarında kullanılır. Bu lambalar neredeye sürekli spektrumları sayesinde gün ışığını andırır ve film projektörleri ve otomobil farları gibi uygulamalarda kullanılır.
Soygazlar, eksimer olarak bilinen kısa ömürlü, elektronik olarak uyarılmış molekkülleri temel alan eksimer lazerlerde kullanılır. Lazerler için kullanılan eksimerler Ar2, Kr2 veya Xe2 gibi soygaz dimerleri olabilir veya daha yaygını soygazlar ArF, KrF, XeF veya XeCl gibi eksimerlerde bir halojenle birleşebilir. Bu lazerler kısa dalgaboyu sebebiyle (ArF için 193 nm ve KrF için 248 nm) yüksek hassasiyetli görüntülemeye fırsat veren morötesi ışık üretir. Bunlar, tümleşik devre imalatında ve lazer anjiyoplasti ve göz cerrahisi gibi lazer ameliyatlarında temel gereksinim olan mikrolitografi ve mikrofabrikasyon için kullanılır.
Bazı soygazlar tıpta doğrudan kullanıma sahiptir. Helyum bazen astım hastalarının solunumunu kolaylaştırmak için kullanılır.Ksenon, azot oksitten daha etkili olmasını sağlayan yağdaki yüksek çözünürlüğü ve daha hızlı geri dünüşüm sağlayan vücuttan çabucak çıkabilmesi sebebiyle, anestezik olarak kullanılır. Ksenon hiperpolarize edilmiş MRI yoluyla akciğerlerin tıbbi görüntülenmesinde kullanılır. Son derece radyoaktif olan ve sadece dakikalarla var olabilen radon radyoterapide kullanılır.
Neon tüplerinde kullanılan farklı soygazların ürettiği renkler.
Helyum
Neon
Argon (biraz cıva ile)
Kripton
Ksenon