Jalokaasut – määritelmä, ominaisuudet ja käyttökohteet
Jalokaasut ovat ryhmä alkuaineita, jotka ovat kaikki kaasuja normaalilämpötilassa ja -paineessa. Nämä alkuaineet kuuluvat kaikki jaksollisen järjestelmän ryhmään 18. Kaikki ne esiintyvät luonnossa yksiatomisina atomeina eli jokainen molekyyli koostuu yhdestä atomista. Ne reagoivat kemiallisesti vain hyvin vähän muiden alkuaineiden kanssa, koska niiden uloin elektronikuori on täyttynyt—heliumilla tämä tarkoittaa kahta elektronia ensimmäisellä kuorella ja muilla ryhmän alkuaineilla täyttä oktettia (8 elektronia) ulommalla kuorella. Perinteisesti jalokaasuiksi luetaan kuusi alkuainetta:
Perusominaisuudet
Jalokaasut ovat värittömiä, hajuttomia ja mauttomia kaasuja huoneenlämpötilassa. Niiden sulamis- ja kiehumispisteet ovat matalia ja kasvavat atomin massan kasvaessa (helium on kaikkein alhaisin, radon korkein). Koska ne ovat yksiatomisia ja niiden sidokset toisiin atomeihin ovat heikkoja, niiden tiheydet, lämmönjohtavuus ja muut fysikaaliset ominaisuudet poikkeavat monista muista kaasuista.
Esiintyminen ja tuotanto
Jalokaasuja esiintyy ilmakehässä, mutta niiden pitoisuudet vaihtelevat voimakkaasti. Argon muodostaa suurimman osan jalokaasuista ilmakehässä (noin 0,93 % kuivailmasta). Muita jalokaasuja on ilmassa vain jälkiä: neon-, helium-, krypton- ja xenon-pitoisuudet ovat tyypillisesti miljoonas- tai miljardisosaluokkaa. Radonia syntyy maaperässä radioaktiivisesta hajoamisesta (esim. uraanista) ja sitä voi esiintyä paikallisesti korkeina pitoisuuksina sisätiloissa.
Teollisesti neon, argon, krypton ja xenon tuotetaan tavallisesti ilmaa nesteyttämällä ja erottamalla komponentit fraktioivan tislaamisen avulla. Helium erotellaan usein luonnonkaasusta, jossa sitä esiintyy pieninä pitoisuuksina. Radonia ei tuoteta teollisesti kaupalliseen käyttöön suunnitellusti sen radioaktiivisuuden vuoksi.
Kemia ja yhdisteet
Perinteisesti jalokaasut luokiteltiin täysin inertiksi, mutta 1900-luvun puolivälin jälkeen havaittiin, että erityisesti raskaammat jalokaasut voivat muodostaa yhdisteitä olosuhteiden ollessa suotuisat. Tunnetuimpia esimerkkejä ovat xenonin fluoridit (esimerkiksi XeF2, XeF4, XeF6) ja oksidit (esim. XeO3). Myös kryptonin fluoridi (KrF2) on syntetisoitu. Argonin kemia on hyvin rajoitettua, mutta erittäin matalissa lämpötiloissa ja erikoisolosuhteissa on havaittu heikosti stabiileja yhdisteitä kuten HArF. Helium- ja neon-yhdisteet ovat äärimmäisen harvinaisia; heliumidiradikaliset ionimuodot ja HeH+ -molekyyli on havaittu avaruudessa.
Käyttökohteet
Jalokaasuilla on monia tärkeitä sovelluksia eri aloilla:
- Helium: cryogeeniassa (nestemäinen helium jäähdyttää suprajohtavia magneetteja, kuten MRI-laitteissa), sukelluspullosekoituksissa (heliox), ilmapallot ja lennokit (koska helium on kevyt ja ei-paloherkkä) sekä tyhjiö- ja puristusprosesseissa.
- Neon: värivalomainokset ja ilmoitustaulujen valot (neonin tyypillinen kirkas oranssinpunainen kaasuhehku), pienet erikoisvalaisimet ja signaalilaitteet.
- Argon: hitsauksessa ja metallien suojakaasuna (suojaamassa oksidoinnilta), loisteputkien ja hehkulamppujen täyteaineena, sekä laboratoriokemiallisissa inertissä ympäristöissä.
- Krypton: erikoisvalaisimissa ja valokuvauksessa (salamalaitteet), eristyslaseissa ja joissakin vähäisessä määrin valaistus- ja näyttölaitteissa.
- Xenon: autovalojen (xenon-halogeenivalot), salamalaitteet, korkean intensiteetin valonlähteet, lääketieteelliset anestesia-sovellukset (xenon on anestesiaominaisuuksia omaava, mutta kallis), sekä avaruustekniikassa ionimoottoreissa kuten satelliittien työntövoimalähteenä.
- Radon: käytännössä ei hyötykäytössä turvallisuussyistä; sitä tutkitaan radioaktiivisten ominaisuuksiensa vuoksi, mutta se on merkittävä terveysriski sisäilman kautta.
Valaistus ja kaasuhehkut
Kylmäkatodiputkissa ja kaasujen purkausvalaisimissa eri jalokaasut emittoivat erilaisia valonsävyjä, minkä vuoksi niitä käytetään värivalokuvioinneissa ja mainosvaloissa. Radonia ei yleisesti käytetä valaistukseen sen radioaktiivisuuden vuoksi.
· 
Helium
· 
Neon
· 
Argon
· 
Krypton
· 
Xenon
Harvinaiset raskaat alkuaineet
Ununoctium (alkuaine 118) mainittiin usein myöhemmin ryhmän seuraavana laatikkona. Nykyinen virallinen nimi on oganesson, mutta alkuperäinen linkki on tässä säilytetty. Tämä erittäin raskas alkuaine on erittäin lyhytikäinen (tyypillisesti millisekunneista alle sekunnin puoliintumisaikoja) ja sen käytännön sovellukset ovat lähinnä tutkimuksellisia. On myös huomattava, että teoria ennustaa relativististen efektien vaikuttavan sen kemiallisiin ominaisuuksiin, joten se ei välttämättä käyttäydy tarkalleen kuten kevyemmät jalokaasut.
Historia
Lordi Rayleigh ja Sir William Ramsay olivat avainasemassa jalokaasujen löytämisessä 1800-luvun lopulla. Rayleigh huomasi tiheyspoikkeaman kaasujen seoksessa ja Ramsay eristi ja tunnisti useita uusia kaasuja ilmakehästä ja mineraaleista. Molemmat tutkijat palkittiin tunnustuksista; Rayleigh sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1904 ja Ramsay sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1904 jalokaasuihin liittyvästä tutkimuksestaan.
Turvallisuus
Useimmat jalokaasut ovat kemiallisesti hyvin inerttejä eivätkä aiheuta myrkytystä; kuitenkin joillakin on erityisiä riskejä:
- Radon on radioaktiivinen kaasumainen terveysriski ja siihen liittyy keuhkosyöpäriski pitkäaikaisessa altistuksessa. Radonin määrää sisäilmassa mitataan ja tarvittaessa vähennetään rakenteellisin korjauksin.
- Nestemäiset jalokaasut (esim. nestemäinen helium) aiheuttavat vakavia paleltumisvammoja ja niiden käsittely vaatii erityisvarusteet.
- Suurtiheyskaasut voivat syrjäyttää happea suljetussa tilassa ja aiheuttaa tukehtumisvaaran, joten hyvä ilmanvaihto ja asianmukaiset säiliöiden varoitusjärjestelmät ovat tärkeitä.
Jalokaasut ovat siten monipuolinen ja tärkeä alkuaineiden ryhmä, jolla on sekä perustieteellistä mielenkiintoa että lukuisia teknisiä sovelluksia. Vaikka useimmat ovat kemiallisesti passiivisia, niiden fysikaaliset ominaisuudet ja mahdollisuus muodostaa yhdisteitä erityisolosuhteissa tekevät niistä edelleen aktiivisen tutkimuskohteen.
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mitä ovat jalokaasut?
V: Jalokaasut ovat ryhmä alkuaineita, jotka ovat kaikki kaasuja ja jotka löytyvät jaksollisen järjestelmän ryhmästä 18. Jalokaasuja ovat myös jalokaasuja. Niillä on täydet 8 elektronia ulommalla elektronikuorella, mikä tarkoittaa, että jokainen molekyyli on yksi atomi, eivätkä ne juuri koskaan reagoi muiden alkuaineiden kanssa.
K: Kuinka monta jalokaasua on olemassa?
V: Jalokaasuja on kuusi: helium, neon, argon, krypton, ksenon ja radon.
K: Mistä näitä jalokaasuja löytyy?
V: Näitä jalokaasuja on ilmassa, ja niiden osuus ilmakehästä on noin 0,96 prosenttia.
K: Voiko jalokaasuista muodostua yhdisteitä?
V: Kyllä, jalokaasuista voidaan muodostaa yhdisteitä.
K: Mitä tapahtuu, kun jalokaasua käytetään kylmäkatodiputkissa valon tuottamiseen?
V: Kun jalokaasua käytetään kylmäkatodiputkissa valon tuottamiseen, jokaisella niistä on erilainen väri.
Radonia ei yleensä käytetä valaistukseen, koska se on radioaktiivista.
K: Kuka löysi jalokaasut?
V: Jalokaasut löysivät Lord Rayleigh ja Sir William Ramsay, jotka molemmat saivat Nobelin palkinnon niitä koskevasta työstään - Rayleigh sai fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1904 ja Ramsay kemian Nobel-palkinnon niin ikään vuonna 1904.
Kysymys: Mikä alkuaine seuraa radonia jaksollisen järjestelmän ryhmässä 18?
V: Oganesson (alkuaine 118) seuraa radonia jaksollisen järjestelmän ryhmässä 18, mutta sen puoliintumisaika on 0,89 ms, jonka jälkeen se hajoaa Livermoriumiksi (alkuaine 116), joten sen käyttö on todennäköisesti rajallista.
