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伝説
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希ガス（歴史的には不活性ガス、エアロゲンとも呼ばれる[1]）は、周期表の第18族に属し、ヘリウム（He）、ネオン（Ne）、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）、ラドン（Rn）、場合によってはオガネソン（Og）である。標準条件下では、これらの元素のうち最初の6つは無臭、無色の単原子ガスであり、化学反応性が非常に低く、沸点は極低温である。7番目の不安定な元素であるOgの特性は不明である。
希ガス原子間の分子間力は非常に弱いロンドン分散力であるため、それらの沸点はすべて極低温であり、165 K（-108 °C、-163 °F）未満です。[2]
希ガスの不活性、つまり他の化学物質と反応しない傾向は、その電子配置に起因します。価電子の外殻は「満杯」であるため、化学反応に参加する傾向はほとんどありません。希ガス化合物の存在が知られているのは、わずか数百種類です。希ガスの不活性により、化学反応が望ましくない場合に便利です。たとえば、アルゴンは溶接のシールドガスとして、また白熱電球の充填ガスとして使用されます。ヘリウムは、飛行船や気球に浮力を与えるために使用されます。ヘリウムとネオンは、沸点が低いため、冷媒としても使用されます。ラドンを除く工業量の希ガスは、ガスの液化と分留の方法を使用して空気から分離することで得られます。ヘリウムは、天然ガスの採掘の副産物でもあります。ラドンは通常、溶解したラジウム、トリウム、またはウラン化合物の放射性崩壊から分離されます。
18族の7番目の元素はオガネソンで、不安定な 合成元素である。その化学的性質は未だ不明である。なぜなら、これまでに合成された原子は極めて短寿命（t 1/2 = 0.69 ms）の原子が5個しかないからである（2020年現在[3]）。IUPACでは「希ガス」という用語を「18族」と互換的に使用しており、オガネソンも含まれる。[4]しかし、相対論的効果により、オガネソンは標準条件下では固体であり、反応性も十分であるため、機能的に「貴」とはみなされないと予測されている。[3][アップデート]
歴史
希ガスはドイツ語の名詞エーデルガスから翻訳されたもので、1900年にヒューゴ・エルドマン[5]によって、その極めて低い反応性を示すために初めて使用されました。この名前は、同様に反応性が低い「貴金属」という用語に類似しています。希ガスは不活性ガスとも呼ばれてきましたが、現在では多くの希ガス化合物が知られているため、この呼称は推奨されていません。 [6] 希ガスも使用されていましたが、[7]これも不正確です。なぜなら、アルゴンは、放射性カリウム40の崩壊により、地球の大気のかなり大きな部分（体積で0.94%、質量で1.3%）を形成しているからです。[8]
ピエール・ヤンセンとジョセフ・ノーマン・ロッカーは、1868年8月18日に太陽の彩層を観察していたときに新しい元素を発見し、太陽を意味するギリシャ語のἥλιος ( hḗlios )にちなんでヘリウムと名付けました。 [9]当時は化学分析は不可能でしたが、後にヘリウムは希ガスであることがわかりました。彼らより前の1784年には、イギリスの化学者で物理学者のヘンリー・キャベンディッシュが、空気中に窒素よりも反応性の低い物質が少量含まれていることを発見していました。[10] 1世紀後の1895年、レイリー卿は、空気中の窒素サンプルの密度が、化学反応によって生じた窒素とは異なることを発見しました。レイリー卿は、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジのスコットランド人科学者ウィリアム・ラムゼーとともに、空気から抽出された窒素が別のガスと混合されているという理論を立て、ギリシャ語のἀργός ( argós、「怠惰な」または「怠け者」) に由来する新しい元素アルゴンを単離する実験に成功した。[10]この発見により、彼らは周期表にガスのクラス全体が欠けていることに気付いた。アルゴンの探索中に、ラムゼーは鉱物のクレベイトを加熱してヘリウムを初めて単離することにも成功した。1902年、ヘリウムとアルゴンの元素の証拠を受け入れたドミトリ・メンデレーエフは、これらの希ガスを元素の配置のグループ0に含め、これが後に周期表となった。[11]
ラムゼーは分留法を用いて液体空気をいくつかの成分に分離し、これらのガスの探索を続けた。1898年、彼はクリプトン、ネオン、キセノンという元素を発見し、それぞれギリシャ語のκρυπτός ( kryptós、「隠された」)、νέος ( néos、「新しい」)、ξένος ( ksénos、「見知らぬ人」)にちなんで命名した。ラドンは1898年にフリードリヒ・エルンスト・ドルンによって初めて特定され、[12]ラジウムエマネーションと名付けられたが、1904年にその特性が他の希ガスと類似していることが判明するまで希ガスとはみなされていなかった。[13]レイリーとラムゼーは、希ガスの発見により、それぞれ1904年のノーベル物理学賞と化学賞を受賞した。 [14] [15]当時のスウェーデン王立科学アカデミー会長JEセダーブロムの言葉によれば、「これまで単一の元素が確実に知られていなかったまったく新しい元素群の発見は、化学史上まったく類を見ないものであり、本質的に特別な意義を持つ科学の進歩である」。[15]
希ガスの発見は、原子構造の一般的な理解の発展に役立ちました。1895年、フランスの化学者アンリ・モアッサンは、最も電気陰性度の高い元素であるフッ素と、希ガスの1つであるアルゴンを反応させようとしましたが、失敗しました。科学者は20世紀末までアルゴンの化合物を調製できませんでしたが、これらの試みは原子構造の新しい理論の開発に役立ちました。これらの実験から学んだデンマークの物理学者ニールス・ボーアは、 1913年に、原子内の電子は原子核を取り囲む殻に配置されており、ヘリウム以外のすべての希ガスでは、最外殻には常に8個の電子が含まれていると提唱しました。[13] 1916年、ギルバート・N・ルイスはオクテット則を定式化し、外殻の電子のオクテットがどの原子にとっても最も安定した配置であると結論付けました。この配置により、外殻を完成させるためにそれ以上の電子を必要としないため、他の元素と反応しなくなります。[16]
1962年、ニール・バートレットは希ガスの最初の化合物であるキセノンヘキサフルオロ白金酸塩を発見した。[17]その後すぐに他の希ガスの化合物も発見された。1962年にはラドンの二フッ化ラドン（RnF
2）[18]は放射性トレーサー技術によって同定され、1963年にはクリプトンについては二フッ化クリプトン（KrF
2[19]アルゴンの最初の安定した化合物は2000年に報告され、アルゴンフルオロ水素化物（HArF）が40 K（-233.2 °C; -387.7 °F）の温度で生成されました。[20]
2006年10月、合同原子核研究所とローレンス・リバモア国立研究所の科学者は、カリホルニウムにカルシウムを衝突させることで、第18族の7番目の元素であるオガネソンを合成することに成功しました。[ 21] [ 22]
物理的および原子的性質
希ガスは原子間力が弱いため、融点と沸点が非常に低い。標準状態では、これらはすべて単原子 ガスであり、通常の固体元素よりも原子質量が大きい元素も含まれる。[13]ヘリウムは他の元素と比較していくつかのユニークな性質を持っている。1気圧での沸点は他のどの既知の物質よりも低い。超流動性を示すことが知られている唯一の元素である。また、大気圧で冷却しても固体化できない唯一の元素です[29] （量子力学では、ゼロ点エネルギーが高すぎて凍結できないと説明される効果）[30]。固体に変換するには、0.95 K（-272.200 °C、-457.960 °F）の温度で25標準気圧（2,500 kPa、370 psi ）の圧力を加える必要があります[29] 。一方、室温では約113,500 atm（11,500,000 kPa、1,668,000 psi）の圧力が必要です。[31]キセノンまでの希ガスには複数の安定同位体があります。クリプトンとキセノンにも天然の放射性同位体があり、78 Kr、124 Xe、136 Xeはすべて寿命が非常に長く（> 10 21年）、二重電子捕獲または二重ベータ崩壊を起こすことができます。ラドンには安定同位体が存在しません。最も長寿命の同位体である222 Rnは半減期が3.8日で、ヘリウムとポロニウムに崩壊し、最終的には鉛に崩壊します。[13]オガネソンにも安定同位体は存在せず、唯一知られている同位体294 Ogは非常に短寿命です（半減期0.7ミリ秒）。融点と沸点はグループの下に行くほど高くなります。
希ガス原子は、ほとんどのグループの原子と同様に、電子の数が増えるため、ある周期から次の周期にかけて原子半径が着実に増加します。原子のサイズはいくつかの特性と関係しています。たとえば、イオン化ポテンシャルは半径が増加すると減少します。これは、より大きな希ガスの価電子が原子核から遠く離れているため、原子によってしっかりと保持されていないためです。希ガスは、各周期の元素の中で最も大きなイオン化ポテンシャルを持ち、これは電子配置の安定性を反映し、化学反応性が相対的に低いことに関係しています。[23]ただし、より重い希ガスの中には、イオン化ポテンシャルが他の元素や分子のイオン化ポテンシャルに匹敵するほど小さいものもあります。キセノンのイオン化ポテンシャルが酸素分子のイオン化ポテンシャルに似ているという洞察から、バートレット氏は、酸素と反応するのに十分な強さがあることが知られている酸化剤である六フッ化白金を使用してキセノンを酸化することを試みました。[17]希ガスは電子を受け入れて安定した陰イオンを形成することができない。つまり、負の電子親和力を持っている。[32]
希ガスのマクロ的な 物理的性質は、原子間の弱いファンデルワールス力によって支配されている。原子サイズが大きくなると分極率の増加とイオン化ポテンシャルの減少により引力が増加する。この結果、系統的なグループ傾向が生まれる。18族に下がると原子半径が大きくなり、それに伴い原子間力も増加し、融点、沸点、蒸発エンタルピー、溶解度が増加する。密度の増加は原子質量の増加による。[23]
希ガスは標準状態ではほぼ理想気体であるが、理想気体の法則からの逸脱は分子間相互作用の研究に重要な手がかりを与えた。分子間相互作用をモデル化するためによく使用されるレナード・ジョーンズ・ポテンシャルは、量子力学の発達によって第一原理から分子間力を理解するためのツールが提供される前に、1924年にジョン・レナード・ジョーンズによってアルゴンの実験データから推定された。[33]希ガスは単原子であり、原子は球形であるため、これらの相互作用の理論的分析は扱いやすくなった。つまり、原子間の相互作用は方向に依存せず、等方性である。
化学的性質
希ガスは標準条件下では無色、無臭、無味、不燃性である。[34]かつては周期表の第 0族に分類されていたが、これは原子価がゼロであり、他の元素と結合して化合物を形成できないと考えられていたためである。しかし、後に実際に化合物を形成するものもあることが発見され、この分類は使われなくなった。[13]
電子配置
他のグループと同様に、このファミリーのメンバーは、特に最外殻の 電子配置にパターンを示し、化学的挙動の傾向をもたらします。
希ガスは完全な価電子殻を持っています。価電子は原子の最外殻電子であり、通常は化学結合に参加する唯一の電子です。価電子殻が完全な原子は非常に安定しているため、化学結合を形成する傾向がなく、電子を獲得したり失ったりする傾向がほとんどありません。[35]しかし、ラドンなどの重い希ガスは、ヘリウムなどの軽い希ガスよりも電磁力によってしっかりと結合していないため、重い希ガスから外側の電子を取り除くのがより容易になります。
完全な殻であるため、希ガスは電子配置表記と組み合わせて希ガス表記を形成することができる。これを行うには、まず問題の元素の前の最も近い希ガスを書き、次にその点から電子配置を続ける。例えば、 リンの電子表記は1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3であるが、希ガス表記は[Ne] 3s 2 3p 3である。このよりコンパクトな表記により、元素を識別しやすくなり、原子軌道の完全な表記を書き出すよりも短くなる。[36]
希ガスはブロックの境界を越えている。ヘリウムはs元素であるが、残りのメンバーはp元素である。これはIUPACグループの中では珍しいことである。他のすべてのIUPACグループには、それぞれ1つのブロックの元素が含まれている。これにより、表全体の傾向に矛盾が生じ、それを理由に、一部の化学者はヘリウムを他のs 2元素と一緒にするためにグループ2に移動すべきであると提案したが、[37] [38] [39]、この変更は一般的には採用されていない。
化合物
4）、最初に発見された希ガス化合物の一つである。
希ガスは化学反応性が極めて低いため、これまでに形成された希ガス化合物は数百種類に過ぎません。ヘリウムとネオンが化学結合した中性化合物は形成されていません（ただし、ヘリウムを含むイオンはいくつか存在し、中性のヘリウムを含むイオンがいくつか存在するという理論的証拠もあります）。一方、キセノン、クリプトン、アルゴンはわずかな反応性しか示していません。[40]反応性は、Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn ≪ Og の順になります。
1933年、ライナス・ポーリングは、より重い希ガスがフッ素と酸素と化合物を形成できると予測しました。彼は、六フッ化クリプトン（KrF
6）および六フッ化キセノン（XeF
6）と推測し、八フッ化キセノン（XeF
8）は不安定な化合物として存在する可能性があり、キセノン酸が過キセノン酸塩を形成する可能性があることを示唆した。[41] [42]これらの予測は、XeF
8現在では熱力学的にも運動学的にも不安定であると考えられている。[43]
キセノン化合物は、これまでに形成された希ガス化合物の中で最も数が多い。[44]それらのほとんどは、キセノン原子が+2、+4、+6、または+8の酸化状態でフッ素や酸素などの高電気陰性度の原子と結合しており、例えば二フッ化キセノン（XeF
2）、四フッ化キセノン（XeF
4）、六フッ化キセノン（XeF
6）、四酸化キセノン（XeO
4）、および過キサン酸ナトリウム（Na
4ゼオ
6キセノンはフッ素と反応して、次の式に従って多数のキセノンフッ化物を形成します。
- Xe + F 2 → XeF 2
- Xe + 2F 2 → XeF 4
- Xe + 3F 2 → XeF 6
これらの化合物のいくつかは、化学合成において酸化剤として使用されている。XeF
2特に、キセノンは市販されており、フッ素化剤として使用できます。[45] 2007年の時点で、キセノンと他の元素が結合した化合物が約500種類確認されており、その中には、有機キセノン化合物（炭素と結合したキセノンを含む）、窒素、塩素、金、水銀、キセノン自体と結合したキセノンが含まれています。[40] [46]ホウ素、水素、臭素、ヨウ素、ベリリウム、硫黄、チタン、銅、銀と結合したキセノンの化合物も観察されていますが、希ガスマトリックス内または超音速希ガスジェット内の低温でのみ観察されています。[40]
ラドンはキセノンよりも反応性が高く、キセノンよりも容易に化学結合を形成する。しかし、ラドン同位体の放射能が高く半減期が短いため、実際にはラドンのフッ化物と酸化物はごくわずかしか形成されていない。[47]ラドンはキセノンよりも金属的な挙動を示し、二フッ化物RnF 2はイオン性が高く、ハロゲンフッ化物溶液では陽イオン性のRn 2+が形成される。このため、運動障害によりラドンを+2状態以上に酸化することは困難である。トレーサー実験のみがこれに成功したようで、おそらくRnF 4、RnF 6、およびRnO 3を形成したと思われる。[48] [49] [50]
クリプトンはキセノンよりも反応性が低いが、酸化状態が+2のクリプトンの化合物がいくつか報告されている。[40]最も注目され、特徴付けが容易なのは 二フッ化クリプトンである。極端な条件下では、クリプトンはフッ素と反応して、次の式に従って KrF 2を形成する。
- クリル + F 2 → クリル F 2
クリプトンが窒素および酸素と単結合を形成する化合物も特徴付けられているが[51]、それぞれ−60℃（−76℉）および−90℃（−130℉）以下でのみ安定である。[40]
クリプトン原子が他の非金属（水素、塩素、炭素）や一部の後期遷移金属（銅、銀、金）と化学的に結合していることも観測されているが、希ガスマトリックス内の低温または超音速希ガスジェット内でのみである。[40]同様の条件は、2000年にアルゴンの最初のいくつかの化合物、例えばフッ化水素アルゴン（HArF）を得るために使用され、そのいくつかは後期遷移金属の銅、銀、金と結合していた。[40] 2007年現在、共有結合したヘリウムまたはネオンを含む安定した中性分子は知られていない。[40]
周期表の傾向から外挿すると、オガネソンは希ガスの中で最も反応性が高いと予測される。より洗練された理論的処理は、そのような外挿が示唆するよりも高い反応性を示しており、「希ガス」という記述子の適用性が疑問視されている。[52]オガネソンは、 14族のシリコンやスズに似ていると予想されている。 [53]一般的な+4とそれほど一般的ではない+2の状態を持つ反応性の高い元素であり、[54] [55]常温および常圧ではガスではなく固体半導体である。これらの予測を検証するには、経験的/実験的テストが必要になる。[24] [56]（一方、フレロビウムは、14族であるにもかかわらず、異常に揮発性であると予測されており、希ガスのような特性を示唆している。）[57] [58]
ヘリウムを含む希ガスは、気相で安定した分子イオンを形成できます。最も単純なのは、 1925年に発見されたヘリウム水素化物分子イオンHeH +です。 [59]宇宙で最も豊富な2つの元素である水素とヘリウムで構成されているため、星間物質で自然に発生すると考えられていましたが、2019年4月に航空機搭載のSOFIA望遠鏡を使用してようやく検出されました。これらのイオンに加えて、希ガスの中性エキシマーが多数知られています。これらは、励起電子状態の場合にのみ安定するArFやKrFなどの化合物であり、その一部はエキシマレーザーに応用されています。
希ガス原子が共有結合している化合物に加えて、希ガスは非共有結合化合物も形成する。1949年に初めて記述されたクラスレート[60]は、特定の有機および無機物質の結晶格子の空洞内に閉じ込められた希ガス原子からなる。その形成に不可欠な条件は、ゲスト（希ガス）原子がホスト結晶格子の空洞に適合する適切なサイズでなければならないことである。例えば、アルゴン、クリプトン、キセノンはハイドロキノンとクラスレートを形成するが、ヘリウムとネオンは小さすぎるか、分極が不十分で保持できないため形成しない。[61]ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンは、希ガスが氷に閉じ込められたクラスレート水和物も形成する。[62]
希ガスは、希ガス原子がフラーレン分子内に閉じ込められた内包フラーレン化合物を形成することができる。1993年に、C
6060個の炭素原子からなる球状分子は 、高圧下で希ガスにさらされると、He@Cなどの錯体が形成される。
60を形成することができる（@表記はHeがCの中に含まれていることを示す）
602008年現在、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンとの内包錯体が作られている。[ 64 ]これらの化合物は、希ガス原子の核磁気共鳴によるフラーレンの構造と反応性の研究に使用されている。[65]
23中心4電子結合モデルによれば
二フッ化キセノン（XeF
2）はオクテット則に違反するため超原子価であると考えられる。このような化合物の結合は、3中心4電子結合モデルで説明できる。[66] [67]このモデルは1951年に初めて提案され、3つの共線原子の結合を考慮している。例えば、XeF
2は、各原子のp軌道から導かれる3つの分子軌道（MO）のセットによって記述される。結合は、Xeからの満たされたp軌道と各F原子からの半分満たされたp軌道の組み合わせによって生じ、満たされた結合軌道、満たされた非結合軌道、および空の反結合軌道が生じる。最も高い占有分子軌道は、2つの末端原子に局在する。これは、フッ素の高い電気陰性度によって促進される電荷の局在化を表している。[68]
より重い希ガスであるクリプトンとキセノンの化学は十分に確立されています。より軽い希ガスであるアルゴンとヘリウムの化学はまだ初期段階にあり、ネオン化合物はまだ特定されていません。
発生と生成
宇宙における希ガスの存在量は、原子番号が増加するにつれて減少する。ヘリウムは、水素に次いで宇宙で最も一般的な元素であり、質量分率は約24%である。宇宙のヘリウムのほとんどはビッグバン元素合成時に生成されたが、恒星元素合成における水素の融合（および、ごくわずかではあるが、重元素のアルファ崩壊）により、ヘリウムの量は着実に増加している。 [69] [70]地球上の存在量は異なる傾向を示している。たとえば、ヘリウムは大気中で3番目に豊富な希ガスである。その理由は、大気中に原始ヘリウムが存在しないからであり、原子の質量が小さいため、ヘリウムは地球の重力場によって保持されない。[71]地球上のヘリウムは、地殻に含まれるウランやトリウムなどの重元素のアルファ崩壊によって生成され、天然ガス鉱床に蓄積される傾向がある。[71]一方、アルゴンの存在量は、地殻に含まれるカリウム40のベータ崩壊の結果として増加し、アルゴン40が形成される。アルゴン40は、太陽系では比較的稀であるにもかかわらず、地球上で最も豊富なアルゴン同位体である。このプロセスは、カリウム-アルゴン年代測定法の基礎となっている。[72]キセノンは、大気中での豊富さが予想外に低く、失われたキセノン問題と呼ばれている。一説によると、失われたキセノンは、地殻内の鉱物に閉じ込められている可能性がある。[73]二酸化キセノンの発見後、研究により、キセノンは石英中のシリコンの代わりに使用できることが示された。[74]ラドンは、ラジウムのアルファ崩壊によって岩石圏で生成されます。建物の基礎の亀裂からラドンが浸透し、換気の悪い場所に蓄積します。ラドンは放射能が高いため、重大な健康被害をもたらします。米国だけでも、年間21,000人の肺がんによる死亡に関与していると推定されています。 [75]オガネソンは自然界には存在せず、科学者によって手動で生成されます。
大規模利用の場合、ヘリウムは天然ガスから分留によって抽出され、天然ガスには最大7％のヘリウムが含まれることがあります。[80]
ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンは、気体の液化（元素を液体状態に変換する）と分留（混合物を成分に分離する）という方法を使用して空気から得られます。ヘリウムは通常、天然ガスから分離することによって生成され、ラドンはラジウム化合物の放射性崩壊から分離されます。[13]希ガスの価格は天然の存在量によって左右され、アルゴンが最も安く、キセノンが最も高価です。例として、隣の表には、2004 年の米国における各ガスの実験室量価格が示されています。
生化学
このグループの元素はどれも生物学的に重要ではない。[81]
アプリケーション
希ガスは沸点と融点が非常に低いため、極低温 冷媒として有用である。[82]特に、4.2 K (-268.95 °C; -452.11 °F) で沸騰する液体ヘリウムは、核磁気共鳴画像法や核磁気共鳴法に必要な超伝導磁石に使用されている。[83]液体ネオンは、液体ヘリウムほど低温には達しないものの、液体ヘリウムの40倍以上、液体水素の3倍以上の冷凍能力があるため、極低温でも使用されている。[78]
ヘリウムは液体、特に脂質への溶解度が低いため、窒素の代わりに呼吸ガスの成分として使用されます。スキューバダイビングなどの圧力がかかると、ガスは血液や体組織に吸収され、窒素酔いと呼ばれる麻酔効果を引き起こします。[84]溶解度が低いため、ヘリウムは細胞膜にほとんど取り込まれず、トリミックスやヘリオックスなどの呼吸混合物の一部をヘリウムで置き換えると、深度でのガスの麻酔効果が低下します。[85]ヘリウムの溶解度が低いことは、減圧症、または減圧症と呼ばれる症状に対してさらなる利点をもたらします。[13] [86]体内の溶解ガスの量が減るということは、浮上時の圧力低下時に形成されるガス泡が少なくなることを意味します。別の希ガスであるアルゴンは、スキューバダイビングのドライスーツ膨張ガスとして使用するのに最適な選択肢と考えられています。[87]ヘリウムは原子炉の核燃料棒の充填ガスとしても使用されます。[88]
1937年のヒンデンブルク号の事故以来、[89]ヘリウムが飛行船や気球の浮力ガスとして水素に取って代わった。水素に比べて浮力が8.6% [90]減少するにもかかわらず、ヘリウムは不燃性である。[13]
多くの用途において、希ガスは不活性雰囲気を作り出すために使用されます。アルゴンは、窒素に敏感な空気に敏感な化合物の合成に使用されます。固体アルゴンは、反応中間体などの非常に不安定な化合物を非常に低い温度で不活性マトリックスに閉じ込めることにより、それらの化合物の研究にも使用されます。 [91]ヘリウムは、ガスクロマトグラフィーのキャリア媒体、温度計の充填ガス、ガイガーカウンターやバブルチャンバーなどの放射線測定装置に使用されます。[79]ヘリウムとアルゴンはどちらも、溶接や切断中に溶接アークと周囲のベースメタルを大気から遮蔽するためによく使用されます。また、他の冶金プロセスや半導体産業のシリコン製造にも使用されます。[78]
希ガスは化学反応性が低いため、照明によく使用されます。アルゴンは窒素と混合して白熱電球の充填ガスとして使用されます。[78]クリプトンは、アルゴンよりもフィラメントの蒸発率を低下させるため、色温度が高く効率の高い高性能電球に使用されます。特にハロゲンランプでは、少量のヨウ素または臭素の化合物を混合したクリプトンが使用されます。[78]希ガスは、 「ネオンライト」などのガス放電ランプ内で使用されると、独特の色で輝きます。これらのライトはネオンにちなんで名付けられていますが、ネオンのオレンジレッド色にさまざまな色合いを加える他のガスや蛍光体が含まれていることがよくあります。キセノンはキセノンアークランプでよく使用されます。キセノンアークランプは、ほぼ連続したスペクトルで日光に似ているため、映画プロジェクターや自動車のヘッドランプとして使用されています。[78]
希ガスはエキシマレーザーに使用され、エキシマレーザーは短寿命の電子励起分子であるエキシマと呼ばれる分子をベースにしている。レーザーに使用されるエキシマは、Ar 2、Kr 2、Xe 2などの希ガス二量体であるが、より一般的には、希ガスとハロゲンが組み合わされたエキシマ、例えばArF、KrF、XeF、XeClなどである。これらのレーザーは紫外線を生成し、その波長が短い（ArFの場合は193 nm 、KrFの場合は248 nm）ため、高精度の画像化が可能となる。エキシマレーザーは、産業、医療、科学の分野で多くの用途がある。集積回路の製造に不可欠なマイクロリソグラフィーやマイクロファブリケーション、レーザー血管形成術や眼科手術などのレーザー手術に使用されている。[92]
一部の希ガスは医療に直接応用されている。ヘリウムは喘息患者の呼吸を楽にするために使用されることがある。[78]キセノンは脂質への溶解度が高いため通常の亜酸化窒素よりも麻酔効果が強く、また体外に排出されやすいため回復が早いため麻酔薬として使用される。 [93]キセノンは過分極MRIによる肺の医療用画像診断に使用されている。[94]ラドンは放射能が非常に高く微量しか存在しないため放射線治療に使用されている。[13]
希ガス、特にキセノンは、その不活性さからイオンエンジンで主に使用されます。イオンエンジンは化学反応によって駆動されるわけではないため、燃料とエンジン上の他のものとの間の望ましくない反応を防ぐために、化学的に不活性な燃料が望まれます。
オガネソンは不安定すぎて扱いにくく、研究以外の用途は知られていない。
地球科学への応用における希ガス
希ガスの相対的な同位体存在比は、地球科学において重要な地球化学的追跡ツールとして機能します。[95]それらは、地球の脱ガスの歴史とそれが周囲の環境（すなわち、大気の組成[96] ）に与える影響を解明することができます。 不活性で存在比が低いため、希ガスの濃度と同位体比の変化は、地質学的設定全体にわたって現在の特徴に影響を与えるプロセスを解決し、定量化するために使用できます[95] [97]。
ヘリウム
ヘリウムには2つの豊富な同位体がある。ヘリウム3は原始的で地球の核とマントルに多く存在し、ヘリウム4は地殻に豊富に存在する放射性核種（232 Th、235,238 U）の崩壊によって生成される。ヘリウムの同位体比は、空気測定値に対する相対値である R A値（ 3 He/ 4 He = 1.39*10 -6 ）で表される。[98]地殻に由来する揮発性物質の R Aは0.02～0.05で、ヘリウム4が濃縮されていることを示す。[99]大陸下リソスフェアマントル（SCLM）などのより深部起源の揮発性物質は6.1±0.9 R A [100]を持ち、中央海洋嶺玄武岩（MORB）はより高い値（8 ± 1 R A）を示します。 マントルプルームサンプルはさらに高い値＞8 R Aを示します。[100] [101]太陽風は、改変されていない原始的特徴を示し、約330 R Aを持つことが報告されています[102]。
ネオン
ネオンには、 20 Ne、21 Ne、22 Neという3つの主な安定同位体があり、20 Neは宇宙の核生成反応によって生成され、大気中に多く存在します。[103] [104] 21 Neと22 Neは、アルファ粒子と中性子粒子が軽元素である18 O、19 F、24,25 Mgと相互作用した結果として、地殻で生成されます。 [105]ネオン比（20 Ne/ 22 Neおよび21 Ne/ 22 Ne）は、地球のマントルの不均一性と揮発性源を識別するために体系的に使用されています。He同位体データを補完するネオン同位体データは、地球システムの熱進化についての洞察も提供します[106]。
アルゴン
アルゴンには、 36 Ar、38 Ar、40 Arの3つの安定同位体があります。36 Arと38 Arは太古のもので、地殻上のそれらの存在量は、地殻流体と天水との平衡に依存しています。 [112]これにより、大気中の36 Arの膨大な量を説明します。これら2つの同位体（ 36 Arと38 Ar）の生成は地殻内ではごくわずかで、235、238 Uと232 Thの崩壊によるアルファ粒子と軽元素（37 Clと41 K）との相互作用によって、限られた濃度の38 Arが生成されます。36 Arは、 36 Clのベータ崩壊によって継続的に生成されています。[113] [114] 40 Arは、 40 Kの放射性崩壊の生成物です。40 Ar / 36 Arの異なる端成分値が報告されています。空気 = 295.5、[115] MORB = 40,000、[115]地殻 = 3000 [112]。
クリプトン
クリプトンにはいくつかの同位体があり、78、80、82 Krは原始的な同位体であり、83、84、86 Krは244 Puの自然核分裂と238 Uの放射性崩壊によって生成されます。 [116] [117]マントルリザーバー内のクリプトンの同位体の地球化学的特徴は、現代の大気に似ています。太陽のような原始的な特徴を保存しています。[118]クリプトンの同位体は、地球の進化（窒素、酸素、酸素）と生命の出現に大きな意味を持つ、地球のシステムへの揮発性物質の配送メカニズムを解明するために使用されました。 [119]これは主に、コンドライト物質、太陽風、彗星などのさまざまなソースからのクリプトン同位体の特徴が明確に区別されているためです。[120] [121]
キセノン
キセノンには9つの同位体があり、そのほとんどは放射性崩壊によって生成されます。クリプトンとキセノンの希ガスは、大気汚染を避けるために、純粋で堅牢な地球化学的サンプリングプロトコルを必要とします。[122]さらに、分析中に質量差が狭い多くの同位体間の質量ピークを分離するには、高度な機器が必要です。
希ガスのサンプリング
希ガスの測定値は、特定のサンプリングプロトコルに従って、火山の噴出口、泉、地熱井などの発生源から得ることができます[126]。古典的な特定のサンプリングプロトコルには次のものがあります。
- 銅管 - これらは標準的な冷凍銅管で、外径 3/8 インチで約 10 cm³ に切断されており、TygonⓇ チューブを介して逆漏斗を管に接続して揮発性排出物のサンプリングに使用され、一方向の流入を確保して空気汚染を防ぎます。可鍛性があるため、サンプルを十分に流した後、冷間溶接またはピンチオフして端を密閉できます。
ギゲンバッハ瓶を使用して希ガスをサンプリングします。漏斗を温泉の上に置き、タイゴン チューブを介してサンプルの流れを瓶に集中させます。地球化学者がテフロン バルブを使用してサンプル入口の流れを制御しています。真空にしたギゲンバッハ瓶内の凝縮プロセスに注目してください。
希ガスの分析
希ガスには多数の同位体があり、質量の微妙な変化があるため、高精度の検出システムが必要です。 当初、科学者は磁場型質量分析法を使用していましたが、これは時間がかかり、「ピークジャンプモード」のために感度が低いものでした。[129] [130]四重極質量分析計(QMS)などのマルチコレクター質量分析計は、同位体の同時検出を可能にし、感度とスループットを向上させます。[130]分析の前に、希ガスの存在量が少ないため、抽出、精製システムを含むサンプルの準備が不可欠です。[131]抽出により、希ガスをキャリア (主要相、液体または固体) から解放することができ、精製により不純物が除去され、サンプルの単位体積あたりの濃度が向上します。[132]極低温トラップは、段階的な温度上昇によりピーク干渉のない連続分析に使用されます。[133]
研究室では、ポータブル質量分析計（miniRuedi）などの小型のフィールドベース質量分析計の開発に成功しており、低コストの真空システムと四重極質量分析計を使用して、1～3％の分析不確実性で希ガスを分析できます。[134]
排出色
ガス放電発光の色は、以下の要因を含むいくつかの要因に依存します。[135]
- 放電パラメータ（電流密度と電界の局所値、温度など - 上段の放電に沿った色の変化に注意してください）
- ガスの純度（特定のガスのわずかな割合でも色に影響を与える可能性があります）
- 放電管エンベロープの材質 - 厚い家庭用ガラスで作られた下段の管では、UV と青色の成分が抑制されていることに注意してください。
参照
- 希ガス（データ ページ）、物理的特性の拡張表。
- 貴金属、腐食や酸化に耐性のある金属。
- 不活性ガス。通常の状況下では反応しないガスを指します。
- 工業用ガス
- オクテット則
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参考文献
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