الغازات النبيلة في الجدول الدوري: خصائصها وتفاعلاتها الكيميائية النادرة

🧪 المجموعة 18: الغازات النبيلة بين الخمول والتفاعل الكيميائي

تُعد عناصر المجموعة 18 من الجدول الدوري، والتي كانت تُعرف سابقًا باسم "المجموعة صفر"، من أكثر المجموعات الكيميائية تميزًا في تصنيف العناصر. تضم هذه المجموعة ستة عناصر كيميائية هي: الهيليوم (He)، النيون (Ne)، الأرجون (Ar)، الكريبتون (Kr)، الزينون (Xe)، والرادون (Rn)، وتُعرف مجتمعة باسم الغازات النبيلة.

في الماضي، أُطلق عليها اسم "الغازات الخاملة" نظرًا لعدم ميلها للتفاعل مع العناصر الأخرى، إلا أن هذا الوصف لم يعد دقيقًا علميًا؛ فقد أثبتت الدراسات الحديثة أن بعض هذه العناصر، خاصة الثقيلة منها مثل الزينون والرادون، يمكن أن تدخل في تفاعلات كيميائية محددة تحت ظروف معينة، مما أدى إلى تعديل المفهوم التقليدي حول خمولها.

كما سُميت أيضًا بـ"العناصر النادرة"، رغم أنها ليست نادرة فعليًا من حيث التواجد؛ فمثلاً، يشكل الأرجون وحده حوالي 0.93% من حجم الغلاف الجوي، وهو ما يجعله من أكثر الغازات النبيلة وفرة على سطح الأرض. أما الهيليوم، فقد تم اكتشافه أولًا في طيف الشمس عام 1868 قبل أن يُعزل على الأرض لاحقًا في عام 1895.

تتميز هذه العناصر بامتلاكها غلافًا إلكترونيًا خارجيًا مكتملًا، مما يمنحها استقرارًا كبيرًا ويجعلها أقل ميلًا لتكوين مركبات. ومع ذلك، فإن هذا الاستقرار لا يمنعها تمامًا من التفاعل، خاصة في حالات الضغط العالي أو عند وجود عناصر شديدة الكهروسالبية مثل الفلور.

🌌 اكتشاف الغازات النبيلة وخصائصها الفيزيائية الفريدة

رغم وجودها في الطبيعة، لم تُكتشف الغازات النبيلة إلا في وقت متأخر نسبيًا من تاريخ الكيمياء، وذلك بسبب خمولها الكيميائي الشديد الذي جعلها غير مرئية في التفاعلات التقليدية. أول اكتشاف لهذه المجموعة كان في عام 1868، عندما رُصد عنصر الهيليوم في طيف الشمس باستخدام المطياف، قبل أن يُعزل على سطح الأرض عام 1895، مما شكّل نقطة تحول في فهم العلماء لتركيب الغلاف الجوي.

تتميز الغازات النبيلة بخصائص فيزيائية فريدة، أبرزها ضعف قوى التجاذب بين ذراتها، وهو ما يؤدي إلى انخفاض كبير في درجات الغليان والذوبان مقارنةً بالعناصر الأخرى. هذه الخاصية تجعلها توجد في الحالة الغازية تحت الظروف العادية من الضغط ودرجة الحرارة، حتى تلك التي تمتلك وزنًا ذريًا أعلى من الفلزات الصلبة مثل الزينون والرادون.

هذا السلوك الفيزيائي الفريد يعكس طبيعة تركيبها الإلكتروني؛ فكل عنصر من عناصر هذه المجموعة يمتلك غلافًا خارجيًا مكتملًا بالإلكترونات، مما يمنحه استقرارًا كبيرًا ويقلل من ميله للتفاعل الكيميائي. ومع ذلك، فإن هذا الخمول لا يعني انعدام التفاعل تمامًا، بل توجد حالات نادرة يمكن فيها لبعض الغازات النبيلة أن تُكوّن مركبات، خاصةً مع عناصر ذات كهروسالبية عالية مثل الفلور.

⚛️ التركيب الإلكتروني للغازات النبيلة وتفاعلاتها الكيميائية النادرة

تتميز الغازات النبيلة بتركيب إلكتروني فريد يمنحها استقرارًا كبيرًا، حيث تمتلك جميع عناصر المجموعة 18 غلافًا إلكترونيًا خارجيًا ممتلئًا بالكامل بالمستويات الفرعية s وp. وهذا يعني أن الغلاف الأخير يحتوي على 8 إلكترونات، باستثناء الهيليوم الذي يحتوي على إلكترونين فقط في مستوى s، مما يجعله مستقرًا أيضًا.

هذا الامتلاء الإلكتروني يجعل الغازات النبيلة غير نشطة كيميائيًا في الظروف العادية، إذ لا تحتاج إلى اكتساب أو فقدان إلكترونات لتصل إلى حالة الاستقرار، وبالتالي فإنها لا تكون مركبات بسهولة. ومع ذلك، فإن هذا الخمول لا يعني انعدام التفاعل تمامًا، بل إن الغازات النبيلة الثقيلة مثل الزينون والرادون والكريبتون يمكن أن تدخل في تفاعلات كيميائية محددة، خاصةً مع عناصر ذات كهروسالبية عالية مثل الفلور.

وقد تم تسجيل أول تفاعل كيميائي للزينون عام 1962، حينما تفاعل مع الفلور لإنتاج مركبات مستقرة مثل:

• XeF₂ (ثنائي فلوريد الزينون)

• XeF₄ (رباعي فلوريد الزينون)

• XeF₆ (سداسي فلوريد الزينون)

كما تفاعل الرادون مع الفلور لإنتاج فلوريد الرادون (RnF)، والذي يتميز بوميض أصفر عند الحالة الصلبة. أما الكريبتون، فقد أظهر قدرة على التفاعل أيضًا، حيث تم إنتاج KrF₂ (ثنائي فلوريد الكريبتون) في ظروف خاصة.

ومن المثير للاهتمام أن هذه العناصر يمكن أن تُكوّن جزيئات مثارة ثنائية الذرة مثل Xe₂، بالإضافة إلى هاليدات الغازات النبيلة مثل XeCl، والتي تُستخدم في تطبيقات متقدمة مثل ليزر الجزيئات المثارة.

وفي تطور حديث، تم اكتشاف مركب فلوريد الأرجون (ArF₂) عام 2003، مما يؤكد أن حتى العناصر الأخف من هذه المجموعة يمكن أن تدخل في تفاعلات كيميائية نادرة، وإن كانت تتطلب ظروفًا دقيقة للغاية.

🧬 مركبات الغازات النبيلة مع الفلزات واكتشاف العنصر 118

رغم السمعة الراسخة للغازات النبيلة بأنها عناصر غير تفاعلية، فقد كشفت الأبحاث الحديثة عن قدرتها على تكوين مركبات كيميائية مع بعض الفلزات الثقيلة، وهو ما شكّل تحولًا في فهمنا لهذه المجموعة. ففي عام 2002، تم اكتشاف عدد من المركبات التي يدخل فيها اليورانيوم مع عناصر من الغازات النبيلة مثل الأرجون (Ar)، الكريبتون (Kr)، والزينون (Xe). هذا الاكتشاف دعم بقوة الفرضية القائلة بأن الغازات النبيلة ليست خاملة تمامًا، بل يمكنها التفاعل تحت ظروف معينة، خاصة مع الفلزات ذات النشاط الكيميائي العالي.

هذه المركبات النادرة تُظهر أن الغلاف الإلكتروني المكتمل لا يمنع التفاعل بشكل مطلق، بل يُقلل احتماليته فقط. ومع التقدم في تقنيات التحليل الطيفي والكيمياء النووية، أصبح بالإمكان رصد هذه التفاعلات الدقيقة التي كانت غير مرئية سابقًا.

وفي سياق تطور الجدول الدوري، يُلاحظ وجود فراغ أسفل عنصر الرادون (Rn)، والذي يحمل الرقم الذري 118. هذا الفراغ يشير إلى وجود عنصر جديد يُصنّف ضمن الغازات النبيلة، وقد تم التعرف عليه مؤقتًا باسم أنون أكتيوم (Ununoctium)، قبل أن يُطلق عليه لاحقًا اسم أوغانيسون (Og) تكريمًا للعالم الروسي يوري أوغانيسيان.

يُعد أوغانيسون من العناصر الفائقة الثقل، ويتميز بفترة وجود قصيرة جدًا نتيجة لعدم استقراره النووي، مما يجعل دراسته تحديًا كبيرًا في الكيمياء الحديثة. ورغم تصنيفه ضمن الغازات النبيلة، فإن خصائصه الفيزيائية والكيميائية قد تختلف عن بقية عناصر المجموعة 18، نظرًا لتأثيرات الكمّ والكتلة الذرية الهائلة.

🧫 لماذا تُسمى الغازات النبيلة بهذا الاسم؟ الخصائص الإلكترونية والسلوك الطبيعي

تُعرف الغازات النبيلة، أو ما يُطلق عليها أحيانًا "العناصر الخاملة"، بأنها مجموعة من العناصر الكيميائية التي تتميز بانعدام التفاعل الكيميائي في الظروف العادية. يعود هذا السلوك إلى اكتمال مداراتها الإلكترونية الخارجية، حيث تحتوي على العدد الكامل من الإلكترونات في مستويات الطاقة الفرعية s وp، مما يجعلها في حالة استقرار دائم دون الحاجة إلى اكتساب أو فقدان إلكترونات.

تشمل هذه المجموعة العناصر التالية:

• الهيليوم (He)

• النيون (Ne)

• الأرجون (Ar)

• الكريبتون (Kr)

• الزينون (Xe)

• الرادون (Rn) ويُضاف إليها حديثًا أوغانيسون (Og)، العنصر رقم 118.

تأتي تسميتها بـ"الخاملة" لأنها لا تدخل في التفاعلات الكيميائية بسهولة، بينما يُطلق عليها "النبيلة" استعارة من النبلاء الذين لا يختلطون بالعامة، أي العناصر النشطة الأخرى. هذه التسمية تعكس عزلتها الكيميائية وندرة تفاعلها، مما يجعلها فريدة في الجدول الدوري.

ومن الناحية الفيزيائية، تتواجد الغازات النبيلة في الطبيعة غالبًا على شكل ذرات منفردة (Monoatomic gases)، وليس على شكل جزيئات، وذلك بسبب ضعف قوى فان دير فالس بينها، مما يُفسر حالتها الغازية في الظروف القياسية. هذا السلوك يجعلها مثالية للاستخدام في التطبيقات التي تتطلب استقرارًا عاليًا وعدم تفاعل، مثل الإضاءة النيونية، والبيئات الخاملة في التجارب الكيميائية، وحتى في تقنيات الليزر المتقدمة.