Gazele nobile (denumite istoric gaze inerte și uneori aerogene) sunt elementele din grupa 18 a tabelului periodic: heliu (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn) și, în unele clasificări, oganesson (Og). În condiții standard, primele șase dintre aceste elemente sunt gaze inodore, incolore și monoatomice, cu o reactivitate chimică foarte scăzută și puncte de fierbere criogenice. Proprietățile oganessonului sunt incerte.
Forța intermoleculară dintre atomii gazelor nobile este forța de dispersie London, foarte slabă, astfel încât toate punctele lor de fierbere sunt criogenice, sub .
Inerția gazelor nobile, adică tendința lor de a nu reacționa cu alte substanțe chimice, rezultă din configurația lor electronică: stratul exterior al electronilor de valență este „complet”, ceea ce le conferă o tendință redusă de a participa la reacții chimice. Sunt cunoscuți doar câteva sute de compuși ai gazelor nobile. Inerția gazelor nobile le face utile ori de câte ori reacțiile chimice sunt nedorite. De exemplu, argonul este utilizat drept gaz de protecție la sudare și drept gaz de umplere în lămpile cu incandescență. Heliul este folosit pentru a asigura portanța dirijabilelor și a baloanelor. Heliul și neonul sunt folosite și ca agenți frigorifici, datorită punctelor de fierbere scăzute. Cantitățile industriale de gaze nobile, cu excepția radonului, sunt obținute prin separarea lor din aer, folosind metodele de lichefiere a gazelor și distilare fracționată. Heliul este și un produs secundar al extracției gazelor naturale. Radonul este de obicei izolat din dezintegrarea radioactivă a compușilor dizolvați de radiu, toriu sau uraniu.
Al șaptelea membru al grupei 18 este oganessonul, un element instabil sintetic, a cărui chimie este încă incertă, deoarece au fost sintetizați doar cinci atomi cu durată de viață foarte scurtă (t1/2 = 0,69 ms) (). IUPAC folosește termenii „gaz nobil” și „grupa 18” ca echivalenți și, prin urmare, include oganessonul; totuși, din cauza efectelor relativiste, se preconizează că oganessonul este un solid în condiții standard și suficient de reactiv pentru a nu putea fi considerat, din punct de vedere funcțional, „nobil”.
Istoric Expresia gaz nobil este traducerea substantivului german , folosit pentru prima dată în 1900 de Hugo Erdmann pentru a indica nivelul lor extrem de scăzut de reactivitate. Denumirea face o analogie cu termenul „metale nobile”, care au, de asemenea, o reactivitate scăzută. Gazele nobile au mai fost denumite și gaze inerte, însă această denumire este învechită, deoarece în prezent sunt cunoscuți numeroși compuși ai gazelor nobile. Gaze rare este un alt termen care a fost folosit, însă și acesta este inexact, deoarece argonul constituie o parte destul de importantă (0,94% în volum și 1,3% în masă) a atmosferei Pământului, ca urmare a dezintegrării potasiului-40 radioactiv.
Pierre Janssen și Joseph Norman Lockyer au descoperit un element nou la 18 august 1868, în timp ce observau cromosfera Soarelui, și l-au numit heliu, după cuvântul grecesc pentru Soare, ().Oxford English Dictionary (1989), s.v. „helium”. Accesat la 16 decembrie 2006 din Oxford English Dictionary Online. De asemenea, citatul de acolo: Thomson, W. (1872). Rep. Brit. Assoc. xcix: „Frankland and Lockyer find the yellow prominences to give a very decided bright line not far from D, but hitherto not identified with any terrestrial flame. It seems to indicate a new substance, which they propose to call Helium.” La acea vreme nu era posibilă nicio analiză chimică, însă ulterior s-a constatat că heliul este un gaz nobil. Înaintea lor, în 1784, chimistul și fizicianul englez Henry Cavendish descoperise că aerul conține o proporție mică dintr-o substanță mai puțin reactivă decât azotul. Un secol mai târziu, în 1895, Lord Rayleigh a descoperit că probele de azot din aer aveau o densitate diferită de cea a azotului rezultat din reacții chimice. Împreună cu omul de știință scoțian William Ramsay de la University College London, Lord Rayleigh a emis ipoteza că azotul extras din aer era amestecat cu un alt gaz, ceea ce a condus la un experiment prin care a fost izolat cu succes un element nou, argonul, denumit după cuvântul grecesc (, „inactiv” sau „leneș”). Odată cu această descoperire, și-au dat seama că din tabelul periodic lipsea o întreagă clasă de gaze. În cursul cercetărilor sale asupra argonului, Ramsay a reușit, de asemenea, să izoleze heliul pentru prima dată prin încălzirea cleveitului, un mineral. În 1902, după acceptarea dovezilor privind existența heliului și a argonului, Dmitri Mendeleev a inclus aceste gaze nobile în grupa 0 a sistemului său de clasificare a elementelor, care avea să devină ulterior tabelul periodic.
Ramsay și-a continuat cercetările asupra acestor gaze folosind metoda distilării fracționate pentru a separa aerul lichid în mai multe componente. În 1898, a descoperit elementele kripton, neon și xenon și le-a denumit după cuvintele grecești (, „ascuns”), (, „nou”) și, respectiv, (, „străin”). Radonul a fost identificat pentru prima dată în 1898 de Friedrich Ernst Dorn, fiind numit emanație de radiu, dar nu a fost considerat gaz nobil până în 1904, când s-a constatat că proprietățile sale sunt asemănătoare cu cele ale celorlalte gaze nobile. Rayleigh și Ramsay au primit Premiile Nobel pentru Fizică și, respectiv, Chimie în 1904 pentru descoperirea gazelor nobile; în cuvintele lui J. E. Cederblom, pe atunci președinte al Academiei Regale Suedeze de Științe, „descoperirea unei grupe cu totul noi de elemente, din care niciun reprezentant nu fusese cunoscut cu certitudine, este ceva absolut unic în istoria chimiei, constituind în sine un progres științific de o importanță deosebită”.
Descoperirea gazelor nobile a contribuit la dezvoltarea unei înțelegeri generale a structurii atomice. În 1895, chimistul francez Henri Moissan a încercat, fără succes, să producă o reacție între fluor, elementul cu cea mai mare electronegativitate, și argon, unul dintre gazele nobile. Oamenii de știință nu au reușit să prepare compuși ai argonului până la sfârșitul secolului al XX-lea, însă aceste încercări au contribuit la elaborarea unor noi teorii privind structura atomică. Pornind de la aceste experimente, fizicianul danez Niels Bohr a propus în 1913 că electronii atomilor sunt dispuși în straturi în jurul nucleului atomic și că, pentru toate gazele nobile cu excepția heliului, stratul exterior conține întotdeauna opt electroni. În 1916, Gilbert N. Lewis a formulat regula octetului, potrivit căreia un octet de electroni în stratul exterior reprezintă configurația cea mai stabilă pentru orice atom; această configurație îi face nereactivi față de alte elemente, deoarece nu mai au nevoie de electroni suplimentari pentru a-și completa stratul exterior.
În 1962, Neil Bartlett a descoperit primul compus chimic al unui gaz nobil, hexafluoroplatinatul de xenon. La scurt timp au fost descoperiți și compuși ai altor gaze nobile: în 1962, pentru radon, difluorura de radon (), identificată prin tehnici cu radiotrasori, iar în 1963, pentru kripton, difluorura de kripton (). Primul compus stabil al argonului a fost raportat în 2000, când fluorohidrura de argon (HArF) a fost obținută la temperatura de .
În octombrie 2006, oamenii de știință de la Institutul Unificat de Cercetări Nucleare și Laboratorul Național Lawrence Livermore au reușit să producă sintetic oganessonul, al șaptelea element din grupa 18, prin bombardarea californiului cu calciu.
Proprietăți fizice și atomice Proprietate Heliu Neon Argon Kripton Xenon Radon OganessonDensitate (g/dm3) 0,1786 0,9002 1,7818 3,708 5,851 9,97 7200 (valoare estimată)Punct de fierbere (K) 4,4 27,3 87,4 121,5 166,6 211,5 450±10 (valoare estimată)Punct de topire (K) –Heliul lichid se solidifică numai dacă este supus unor presiuni mult mai mari decât presiunea atmosferică, efect explicabil prin mecanica cuantică 24,7 83,6 115,8 161,7 202,2 325±15 (valoare estimată)Entalpie de vaporizare (kJ/mol) 0,08 1,74 6,52 9,05 12,65 18,1 – Solubilitate în apă la 20 °C (cm3/kg) 8,61 10,5 33,6 59,4 108,1 230 – Număr atomic 2 10 18 36 54 86118Rază atomică (calculată) (pm) 31 38 71 88 108 120 – Energie de ionizare (kJ/mol) 2372 2080 1520 1351 1170 1037 839 (valoare estimată)Electronegativitate 4,16 4,79 3,24 2,97 2,58 2,60 2,59
Gazele nobile au forțe interatomice slabe și, în consecință, puncte de topire și de fierbere foarte scăzute. În condiții standard, toate sunt gaze monoatomice, inclusiv elementele cu mase atomice mai mari decât ale multor elemente care sunt în mod obișnuit solide. Heliul are mai multe proprietăți unice în comparație cu celelalte elemente: punctul său de fierbere la 1 atm este mai scăzut decât al oricărei alte substanțe cunoscute; este singurul element despre care se știe că prezintă superfluiditate; și este singurul element care nu poate fi solidificat prin răcire la presiune atmosferică (efect explicat prin mecanica cuantică, deoarece energia sa de punct zero este prea mare pentru a permite înghețarea) – pentru a-l transforma în solid trebuie aplicată o presiune de la o temperatură de , în timp ce la temperatura camerei este necesară o presiune de aproximativ . Gazele nobile până la xenon inclusiv au mai mulți izotopi stabili; kriptonul și xenonul au și radioizotopi naturali, și anume 78Kr, 124Xe și 136Xe, toți având durate de viață foarte lungi (> 1021 ani) și putând suferi captură dublă de electroni sau dezintegrare beta dublă. Radonul nu are izotopi stabili; izotopul său cu cea mai lungă durată de viață, 222Rn, are un timp de înjumătățire de 3,8 zile și se dezintegrează formând heliu și poloniu, care, la rândul său, se dezintegrează în cele din urmă în plumb. Nici oganessonul nu are izotopi stabili, iar singurul său izotop cunoscut, 294Og , are o durată de viață foarte scurtă (timp de înjumătățire de 0,7 ms). Punctele de topire și de fierbere cresc de sus în josul grupei.
La fel ca atomii majorității grupelor, atomii gazelor nobile cresc constant în rază atomică de la o perioadă la următoarea, din cauza creșterii numărului de electroni. Dimensiunea atomului este legată de mai multe proprietăți. De exemplu, potențialul de ionizare scade odată cu creșterea razei, deoarece electronii de valență ai gazelor nobile mai grele sunt mai îndepărtați de nucleu și, prin urmare, sunt reținuți mai slab de atom. Gazele nobile au cel mai mare potențial de ionizare dintre elementele fiecărei perioade, ceea ce reflectă stabilitatea configurației lor electronice și este legat de reactivitatea lor chimică relativ scăzută. Totuși, unele dintre gazele nobile mai grele au potențiale de ionizare suficient de mici pentru a fi comparabile cu cele ale altor elemente și molecule. Constatarea că xenonul are un potențial de ionizare asemănător cu cel al moleculei de oxigen l-a determinat pe Bartlett să încerce oxidarea xenonului cu hexafluorură de platină, un agent oxidant despre care se știa că este suficient de puternic pentru a reacționa cu oxigenul. Gazele nobile nu pot accepta un electron pentru a forma anioni stabili; cu alte cuvinte, au o afinitate electronică negativă.;
Proprietățile macroscopice fizice ale gazelor nobile sunt dominate de forțele van der Waals slabe dintre atomi. Forța de atracție crește odată cu dimensiunea atomului, ca urmare a creșterii polarizabilității și a scăderii potențialului de ionizare. De aici rezultă tendințe sistematice în cadrul grupei: coborând în grupa 18, raza atomică crește și, odată cu ea, cresc forțele interatomice, ceea ce determină creșterea punctului de topire, a punctului de fierbere, a entalpiei de vaporizare și a solubilității. Creșterea densității se datorează creșterii masei atomice.