گاز نجیب (بی اثر) چیست؟

گاز نجیب چیست؟در تعریف گازهای بی ‌اثر (Noble Gas) می توان گفت که گروهی از عناصر شیمیایی هستند که در گروه 18 جدول تناوبی قرار دارند. این گازها به دلیل عکس العمل های خنثی، گازهای نجیب نام گرفته اند. گازهای نجیب به دلیل پایداری شیمیایی خود، واکنش پذیری بسیار کمی دارند و به ویژه با برخی از فلزات هیچ واکنش شیمیایی ندارند. این گازها می توانند وزن سبک یا سنگین داشته باشند و معمولاً به صورت تک اتمی در طبیعت وجود دارند. در این مطلب برخی از خصوصیات این گازها را بررسی می کنیم.

گازهای نجیب به دلیل پایداری بالا شناخته شده‌اند، اما گازهایی مانند کربن دی اکسید نقش بسیار مهمی در چرخه کربن و تغییرات آب و هوایی ایفا می‌کنند. برای آشنایی با خواص و کاربردهای این گاز فعال، به صفحه کربن دی اکسید چیست مراجعه کنید.

ویژگی های برجسته گازهای نجیب

گازهای نجیب (بی اثر)، که به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی منحصر به فرد خود در دسته خاصی از عناصر جدول تناوبی قرار گرفته اند، دارای ویژگی هایی هستند که آن ها را از سایر گازها متمایز می کند. این ویژگی ها در ادامه توضیح داده شده است:

1. پایداری شیمیایی بالا

یکی از مهمترین ویژگی‌ های گازهای بی ‌اثر، ساختار الکترونی پایدار آن ها است. این گازها دارای لایه بیرونی کامل از الکترون ها هستند که باعث می شود تمایلی به تشکیل پیوندهای شیمیایی با سایر عناصر نداشته باشند. به همین دلیل، گازهای نجیب معمولاً در طبیعت به صورت تک اتمی یافت می شوند و در مقایسه با گازهای فعال، واکنش ناپذیری بیشتری دارند. این خاصیت به ویژه در کاربردهای صنعتی که نیاز به محیط های بی اثر دارند، بسیار ارزشمند است.

گاز نجیب به دلیل بی‌اثر بودن شناخته می‌شود، اما گازهایی مانند متان بسیار واکنش‌پذیر هستند و به عنوان یک گاز گلخانه‌ای قدرتمند شناخته می‌شوند. برای مقایسه این دو گاز، به صفحه گاز متان چیست مراجعه کنید.

2. بی بو و بی رنگ

در شرایط استاندارد (دمای اتاق و فشار یک اتمسفر)، گازهای نجیب کاملاً بی بو و بی رنگ هستند. این ویژگی باعث شده است که از آن ها در مواردی مانند پر کردن بالن ها یا لامپ های روشنایی بدون تغییر در ظاهر یا بوی محیط استفاده شود.

3. نقطه ذوب و جوش پایین

ساختار ساده و تک اتمی گازهای نجیب سبب شده است که نیروهای بین مولکولی بسیار ضعیفی بین اتم های آن ها وجود داشته باشد. به همین دلیل، این گازها در دماهای بسیار پایین به حالت مایع در می آیند. برای مثال، هلیوم به عنوان سبک ترین گاز نجیب، در دمای بسیار پایینی (حدود ۴.۲ کلوین) مایع می شود. در نتیجه این گازها برای کاربردهایی مانند خنک کننده های فوق سرد بسیار مناسب هستند.

4. غیرقابل اشتعال بودن

یکی دیگر از خصوصیات کلیدی گاز بی اثر ، عدم اشتعال پذیری آن است. این گازها به دلیل واکنش ناپذیری شیمیایی، حتی در حضور گازهای قابل اشتعال یا منابع حرارت، به سختی وارد واکنش های احتراق می شوند. این خاصیت آن ها را به گزینه ای امن برای استفاده در محیط های حساس مانند صنایع شیمیایی و تجهیزات الکترونیکی تبدیل کرده است.

لیست گازهای نجیب و کاربردهای متنوع آن ها

خواص شیمیایی و فیزیکی گازهای نجیب باعث کاربرد گسترده آنها در بسیاری از حوزه های علمی، صنعتی و پزشکی شده است. هر کدام از این گازها با توجه به خواص منحصر به فرد خود، نقش ویژه ای ایفا می کنند. در ادامه لیست گازهای نجیب و کاربردهای مهم آنها را بررسی می کنیم:

1. هلیوم (He)

گاز هلیوم سبک ترین گاز نجیب و دومین عنصر سبک در جهان است. این گاز به دلیل چگالی بسیار پایین و غیرقابل اشتعال بودن، در پر کردن بالن ها و کشتی های هوایی کاربرد دارد. همچنین هلیوم مایع به دلیل دمای فوق العاده پایین، به عنوان خنک کننده برای آهنرباهای ابررسانای دستگاه های MRI به کار می رود. در صنایع فضایی و راکتورهای هسته ای نیز به عنوان خنک کننده استفاده می شود. علاوه بر این، به دلیل خواص بی اثر، در مطالعات علمی و تحقیقات فیزیکی و شیمیایی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

2. نئون (Ne)

نئون به دلیل توانایی تولید نور درخشان، شهرت ویژه ای دارد. این گاز هنگامی که از جریان الکتریکی عبور داده می شود، نور قرمز نارنجی درخشانی تولید می کند که در علائم تجاری و تبلیغاتی کاربرد دارد. همچنین در لوله های تخلیه گاز برای تولید نور استفاده می شود و در سیستم های بسیار دقیق خنک کننده برای برخی تجهیزات خاص کاربرد دارد.

3. آرگون (Ar)

گاز آرگون به دلیل فراوانی نسبی و خواص شیمیایی، یکی از پرکاربردترین گازهای نجیب است. این گاز به عنوان گاز محافظ در جوشکاری قوس الکتریکی برای جلوگیری از واکنش مواد مذاب با اکسیژن هوا استفاده می شود. در لامپ های روشنایی، آرگون به کاهش سرعت تبخیر رشته کمک می کند و عمر لامپ را افزایش می دهد. همچنین در آزمایشگاه ها و فرآیندهای صنعتی که به محیط بی اثر نیاز دارند، کاربرد دارد.

4. کریپتون (Kr)

کریپتون به دلیل توانایی ایجاد نورهای خاص، در صنعت روشنایی و فناوری های پیشرفته کاربرد دارد. این گاز در ترکیب با دیگر گازها برای ساخت لامپ های کم مصرف و با کارایی بالا استفاده می شود. همچنین در ساخت لیزرهای کریپتون فلوراید که در فناوری های پیشرفته مانند تحقیقات هسته ای و نظامی کاربرد دارند، به کار می رود. کریپتون در برخی فناوری های تصویربرداری پزشکی نیز استفاده می شود.

5. زنون (Xe)

زنون یکی از سنگین ترین گازهای نجیب است و خواص منحصر به فردی دارد. این گاز به دلیل تولید نور سفید پرقدرت و طبیعی در چراغ های جلو خودروها کاربرد دارد. همچنین به عنوان گازی بی اثر و بی خطر در برخی جراحی ها برای بیهوشی به کار می رود. در تحقیقات فضایی نیز از زنون در موتورهای یونی برای پیشران های فضایی استفاده می شود. علاوه بر این، از آن در لامپ های فلش دوربین ها برای تولید نورهای کوتاه مدت و قوی استفاده می شود.

6. رادون (Rn)

رادون یک گاز رادیواکتیو است که کاربردهای خاص و محدود دارد. در گذشته برای درمان بیماری های خاصی مانند سرطان به صورت کنترل شده استفاده می شد. این گاز در مطالعات رادیواکتیویته و فرآیندهای زمین شناسی به کار گرفته می شود و در برخی موارد برای تشخیص نشت های زیرزمینی و مطالعه ساختار زمین نیز استفاده می شود.

گازهای نجیب در صنایع مختلف کاربردهای متنوعی دارند. کربن دی اکسید نیز یکی از گازهای پرکاربرد در صنعت غذا است. برای آشنایی با کاربردهای این گاز در تولید نوشابه‌ها و مواد غذایی، به صفحه کاربرد کربن دی اکسید در صنایع غذایی مراجعه کنید.

تفاوت گازهای بی اثر و فعال

تفاوت گازهای نجیب و فعال را می توان از جنبه های مختلف شیمیایی و فیزیکی بررسی کرد:

• ساختار الکترون :

گازهای نجیب (مانند هلیوم، نئون، آرگون) دارای لایه والانس کاملاً پر هستند. این ویژگی باعث پایداری بالای آن ها شده و نیاز به شرکت در واکنش های شیمیایی برای دستیابی به حالت پایدار ندارند.

گازهای فعال (مانند اکسیژن، نیتروژن، کلر) لایه والانس ناپایداری دارند و برای رسیدن به حالت پایدار، به شدت تمایل دارند الکترون جذب کرده یا الکترون از دست بدهند.

• واکنش پذیری:

گازهای نجیب به دلیل پایداری لایه الکترونی خود، واکنش پذیری بسیار پایینی دارند و معمولاً در شرایط عادی وارد واکنش شیمیایی نمی شوند.

گازهای فعال واکنش پذیری بالایی دارند و در بسیاری از واکنش های شیمیایی شرکت می کنند. برای مثال، اکسیژن به شدت تمایل به اکسید کردن فلزات و ترکیبات دیگر دارد.

• پایداری شیمیایی:

گازهای نجیب به دلیل پایداری بالای خود، معمولاً در شرایط محیطی به صورت آزاد باقی می مانند و حتی تحت فشار و دماهای بالا نیز به سختی وارد واکنش می شوند. این ویژگی باعث شده است که این گازها در کاربردهایی که نیاز به محیط بی اثر دارند، بسیار مفید باشند.

گازهای فعال، از طرف دیگر، ناپایدارتر هستند و در محیط آزاد به سرعت با سایر عناصر واکنش می دهند. برای مثال، اکسیژن به راحتی با فلزات واکنش می دهد و ترکیباتی مانند اکسیدها را تشکیل می دهد.

• نقش زیستی و محیطی:

گازهای نجیب در فرآیندهای زیستی نقش چندانی ندارند، زیرا واکنش شیمیایی خاصی انجام نمی دهند. با این حال، هلیوم در پزشکی، به ویژه در مخلوط های تنفسی برای بیماران دارای مشکلات تنفسی، کاربرد دارد.

گازهای فعال در زیست شناسی و اکوسیستم ها نقش حیاتی دارند. اکسیژن برای تنفس جانداران ضروری است، و دی اکسید کربن (که محصول واکنش اکسیژن است) در فتوسنتز گیاهان نقش کلیدی دارد. همچنین کلر در تصفیه آب و نابودی میکروارگانیسم های مضر استفاده می شود.

• کاربردهای صنعتی:

پایداری گازهای بی‌ اثر باعث استفاده گسترده آنها در صنایع گوناگون شده است. برای مثال، نئون در تولید تابلوهای روشنایی، کریپتون در لامپ های فلورسنت و زنون در چراغ های خودرو و تجهیزات پزشکی کاربرد دارند.

گازهای فعال، به دلیل واکنش پذیری، در فرآیندهای شیمیایی، تولید مواد صنعتی و سوخت ها استفاده می شوند. برای نمونه، اکسیژن در فرایندهای احتراق و جوشکاری، و کلر در تولید پلاستیک ها و مواد شیمیایی کاربرد دارد.

گازهای نجیب به عنوان گاز محافظ در جوشکاری استفاده می‌شوند تا از فلز در برابر آلودگی محافظت کنند. برای آشنایی با سایر گازهای مورد استفاده در جوشکاری، به صفحه گازهای محافظ در جوشکاری مراجعه کنید.

• رفتار در دما و فشار:

گازهای نجیب در دماها و فشارهای مختلف به دلیل پایداری خود تغییرات کمی در خواص شیمیایی نشان می دهند. برای مثال، حتی در دماهای بسیار پایین، حالت مایع یا جامد آن ها نیز همچنان خاصیت بی اثر بودن خود را حفظ می کند.

گازهای فعال ممکن است در دما و فشارهای مختلف واکنش های شیمیایی متفاوتی انجام دهند. برای مثال، نیتروژن در دما و فشار بالا می تواند با هیدروژن ترکیب شده و آمونیاک تولید کند.

• شکل گیری ترکیبات:

گازهای بی اثر به ندرت ترکیب شیمیایی تشکیل می دهند، اما تحت شرایط خاصی می توانند ترکیباتی مانند هگزافلورید زنون تولید کنند که بسیار نادر هستند.

گازهای فعال به راحتی ترکیبات شیمیایی متنوعی تولید می کنند. برای مثال، اکسیژن با هیدروژن آب تولید می کند و کلر با سدیم، نمک خوراکی را تشکیل می دهد.

بیشتر بخوانید: تفاوت کربن مونوکسید و دی اکسید کربن

کاربرد گازهای نجیب در صنعت

گازهای نجیب (هلیوم، نئون، آرگون، کریپتون، زنون و رادون) به دلیل ویژگی های منحصر به فرد شیمیایی و فیزیکی خود، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارند. در ادامه، کاربرد گازهای نجیب در صنعت را با جزئیات بیشتری بررسی می کنیم:

1. صنعت الکترونیک

• تولید نیمه هادی ‌ها: آرگون و نئون در فرآیند تولید نیمه هادی ها برای ایجاد جو بی اثر استفاده می شوند تا از واکنش های ناخواسته جلوگیری شود.
• تولید لیزرها: گازهای نجیب مانند نئون و زنون در تولید لیزرهای گازی به کار می روند. این لیزرها در تجهیزات دقیق پزشکی و صنعتی استفاده می شوند.
• حفاظت از قطعات الکترونیکی: در مونتاژ قطعات حساس الکترونیکی، گازهای نجیب برای جلوگیری از تماس قطعات با اکسیژن و رطوبت استفاده می شوند.

2. پزشکی

• MRI : هلیوم به دلیل دمای بسیار پایین در حالت مایع، به عنوان خنک کننده در سیستم های تصویربرداری تشدید مغناطیسیMRI استفاده می شود.
• بیهوشی: زنون در برخی از سیستم های بیهوشی مدرن به کار می رود. این گاز به دلیل خواص بی اثر و اثرات جانبی کم، گزینه ای ایمن در بیهوشی است.
• درمان بیماری ها: رادون، هرچند رادیواکتیو است، در گذشته به عنوان درمانی برای برخی بیماری های مزمن مورد استفاده قرار می گرفت، اما امروزه به دلیل خطرات آن کمتر استفاده می شود.

3. مهندسی و جوشکاری

• جوشکاری: آرگون، کریپتون و هلیوم به عنوان گازهای محافظ در جوشکاری MIG و TIG استفاده می شوند تا از اکسیداسیون فلزات جلوگیری شود.
• برش لیزری: آرگون و نئون در فرآیندهای برش لیزری به کار می روند تا جو بی اثر ایجاد کرده و از واکنش های شیمیایی با فلزات داغ جلوگیری کنند.

4. صنعت روشنایی

• لامپ های فلورسنت و نئون: نئون و آرگون به دلیل خاصیت درخشش در لامپ های نئون و فلورسنت استفاده می شوند.
• لامپ های زنون: زنون در چراغ‌ های جلوی خودروهای لوکس و پروژکتورها به کار می رود. این چراغ ‌ها روشنایی قوی و عمر طولانی دارند.
• نورپردازی تزئینی: ترکیب گازهای نجیب مختلف برای تولید نورهای رنگی در طراحی ها و تبلیغات استفاده می شود.

5. صنعت هوانوردی و فضایی

• بادکننده بالن ‌ها و کشتی های هوایی: هلیوم به دلیل سبک بودن و غیر قابل اشتعال بودن، در بادکننده بالن ‌ها و کشتی های هوایی استفاده می شود.
• پیشرانه ماهواره ها: زنون به عنوان گاز پیشرانه در سیستم های پیشرانه یونی ماهواره ها استفاده می شود.

6. صنعت شیشه و عایق ‌ها

• عایق پنجره ها: کریپتون و آرگون به دلیل هدایت حرارتی کم، در پنجره های دوجداره استفاده می شوند تا از انتقال گرما جلوگیری کنند.
• ساخت شیشه های خاص: گازهای نجیب در تولید شیشه هایی که نیاز به مقاومت در برابر شرایط خاص دارند، به کار می روند.

7. صنایع شیمیایی و تحقیقاتی

• کروماتوگرافی گازی: هلیوم و آرگون به عنوان گاز حامل در کروماتوگرافی گازی استفاده می شوند.
• تحقیقات علمی: گازهای نجیب در آزمایشگاه ها برای ایجاد محیط ‌های خنثی و انجام واکنش های خاص بدون دخالت عوامل خارجی به کار می روند.

مطالب بیشتر: گاز اکسیژن چیست

جمع بندی

گازهای بی ‌اثر در جدول تناوبی در گروه 18 قرار دارند و با خواص منحصر به فرد شیمیایی و فیزیکی خود، در طیف وسیعی از صنایع نقش حیاتی دارند. این گازها، به دلیل بی اثر بودن، ایمنی و کاربردهای تخصصی خود، یکی از اجزای ضروری در تکنولوژی مدرن محسوب می شوند و با تحقیق و توسعه، کاربردهای جدیدی از آن ها کشف می شود.