希ガス

希ガス
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
ハロゲン←   →アルカリ金属
IUPACグループ番号18
要素による名前ヘリウム族または
ネオン族
通称希ガス
CAS グループ番号
（米国、パターン ABA）
VIIIA
旧IUPAC番号
（ヨーロッパ、パターンAB）
0
↓ 期間
1
画像: ヘリウム放電管
ヘリウム（He）
2
2
画像: ネオン放電管
ネオン（Ne）
10
3
画像: アルゴン放電管
アルゴン（Ar）
18
4
画像: クリプトン放電管
クリプトン（Kr）
36
5
画像: キセノン放電管
キセノン（Xe）
54
6ラドン（Rn）
86
7オガネソン（Og）
118

伝説

原始元素
放射性崩壊による元素
合成

希ガス（歴史的には不活性ガスと呼ばれ、エアロゲン[1]と呼ばれることもある）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）、そして場合によってはオガネソン（Og）が含まれる。標準状態において、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。オガネソン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にくい性質は、その電子配置に起因します。価電子の外殻が「満タン」であるため、化学反応に関与する傾向が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種類は数百種のみです。希ガスの不活性性は、化学反応が望ましくない場合に有用です。例えば、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の浮力源として使用されます。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。ラドンを除く希ガスは、ガスの液化や分留法を用いて空気から分離することで工業的に大量に得られます。ヘリウムは天然ガス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。

第18族の7番目の元素はオガネソンであり、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、2020年現在、極めて短寿命（t 1/2 = 0.69 ms）の原子がわずか5個しか合成されていないためである[3]。IUPACでは「希ガス」という用語を「第18族」と互換的に使用しており、オガネソンもこれに含まれます[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、機能的に「貴ガス」と呼べるほどの反応性はないと予測されている[3] 。

歴史

希ガスはドイツ語の名詞エーデルガス（Edelgas ）から翻訳された言葉で、1900年にヒューゴ・エルドマン[5]によって初めて使用され、その極めて低い反応性を示すものでした。この名称は、同じく低い反応性を持つ「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いましたが、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] 希ガスという別の用語も使用されていましたが[7]、これも正確ではありません。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の部分（体積比0.94%、質量比1.3%）を占めているからです。[8]

上部に鋭い線が表示された可視スペクトルの線スペクトル チャート。
ヘリウムは、その特徴的なスペクトル線により、太陽で初めて検出されました。

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成された窒素の密度と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」）に由来する新元素アルゴンの単離に成功した実験へと繋がった。[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落していることに気づいた。アルゴンの探索中に、ラムゼーは鉱物であるクレベイトを加熱することで、初めてヘリウムの単離にも成功した。1902年、ドミトリ・メンデレーエフはヘリウムとアルゴンの元素の証拠を受け入れ、これらの希ガスを元素の配列に第0族として含めた。これが後に周期表の元となった。[11]

ラムゼーは分留法を用いて液体空気を複数の成分に分離し、これらのガスの探索を続けました。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」）にちなんで命名しました。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ましたが、1904年に他の希ガスと特性が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ませんでした。[13]レイリーとラムゼーは、それぞれ1904年の希ガスの発見により物理学賞と化学賞を受賞しました。 [14] [15]当時のスウェーデン王立科学アカデミー会長JEセダーブロムは、「これまで単一の元素が確実に知られていなかった全く新しい元素群の発見は、化学の歴史において全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」と述べています。[15]

希ガスの発見は、原子構造の一般的な理解の発展に貢献した。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たが、失敗した。科学者は20世紀末までアルゴンの化合物を調製することができなかったが、これらの試みは原子構造の新しい理論の発展に貢献した。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た。[13] 1916年、ギルバート・N・ルイスは、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るオクテット則を定式化した。この配置により、外殻を完成させるの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六フッ化白金酸キセノンを発見した。[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、フッ化水素化アルゴン（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たちは、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

財産[13] [23]ヘリウムネオンアルゴンクリプトンキセノンラドンオガネソン
密度（g/ dm 3）0.17860.90021.78183.7085.8519.977200（予測）[24]
沸点（K）4.427.387.4121.5166.6211.5450±10（予測）[24]
融点（K）– [25]24.783.6115.8161.7202.2325±15（予測）[24]
蒸発エンタルピー（kJ/mol）0.081.746.529.0512.6518.1–
20℃における水への溶解度（cm 3 /kg）8.6110.533.659.4108.1230–
原子番号21018365486118
原子半径（計算値）（pm）31387188108120–
イオン化エネルギー（kJ/mol）237220801520135111701037839（予測）[26]
電気陰性度[27]4.164.793.242.972.582.602.59 [28]

希ガスは原子間力が弱いため、融点と沸点が非常に低い。標準条件下では、これらはすべて単原子 気体であり、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つ。1気圧における沸点は他のどの既知の物質よりも低く、超流動性を示す唯一の元素である。また、大気圧で冷却しても凝固しない唯一の元素です[29] （量子力学では、零点エネルギーが高すぎて凝固できないと説明される）[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 ）の圧力をかける必要があります[29]が、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存在します。クリプトンとキセノンにも天然の放射性同位体、すなわち78 Kr、124 Xe、136 Xeがあり、いずれも寿命が非常に長く（10 21年超）、二重電子捕獲崩壊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せず、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である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。

イオン化エネルギーと原子番号の関係を示すグラフ。希ガス原子の鋭いピークを示しています。
これはイオン化ポテンシャルと原子番号の関係を示したグラフです。希ガスは各周期において最大のイオン化ポテンシャルを持ちますが、第7周期ではこの傾向が崩れると予想されます。これは、オガネソン（Z = 118）の第一イオン化エネルギーが110～112番元素よりも低いと予測されるためです。

希ガス原子は、他のほとんどの族の原子と同様に、電子の数が増えるため、周期表の周期が進むにつれて原子半径が着実に大きくなります。原子の大きさ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大きくなるにつれて小さくなります。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、相対的に化学反応性が低いことに関係しています。[23]ただし、より重い希ガスの一部は、イオン化ポテンシャルが他の元素や分子に匹敵するほど小さいです。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しようと試みました。[17]希ガスは電子を受け取って安定な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つ。[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。原子の大きさが大きくなるにつれて、分極率の増加とイオン化ポテンシャルの減少の結果として、引力は増加する。この結果、グループには系統的な傾向がある。18族に下がるにつれて原子半径が大きくなり、それに伴い原子間力も増加し、結果として融点、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]

希ガスは標準条件下ではほぼ理想気体であるが、理想気体の法則からのずれが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われるレナード・ジョーンズ・ポテンシャルは、量子力学の発達によって分子間の力が第一原理から理解される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]これらの相互作用の理論的分析は、希ガスが単原子であり、原子が球形であるため扱いやすくなった。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

ネオン核、内殻に電子 2 個、外殻に電子 8 個を持つ原子殻図。
ネオンは、他の希ガスと同様に、完全な価電子殻を持っています。希ガスは最外殻に8つの電子を持っていますが、ヘリウムは2つの電子しか持っていません。

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。これは、希ガスの原子価がゼロであり、他の元素の原子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、後に一部の希ガスは実際に化合物を形成することが発見され、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、その電子配置、特に最外殻にパターンを示し、化学的挙動の傾向をもたらします。

Z要素殻あたりの電子数
2ヘリウム2
10ネオン2、8
18アルゴン2、8、8
36クリプトン2、8、18、8
54キセノン2、8、18、18、8
86ラドン2、8、18、32、18、8
118オガネソン2、8、18、32、32、18、8
（予測）

希ガスは価電子殻が完全である。価電子は原子の最外殻電子であり、通常、化学結合に関与する唯一の電子である。価電子殻が完全である原子は非常に安定しているため、化学結合を形成しにくく、電子を獲得したり失ったりする傾向もほとんどない。[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に比べて電磁力による結合が弱いため、重い希ガスから外殻電子が除去されやすい。

完全な殻構造を持つため、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、まず対象となる元素の前にある最も近い希ガスを記述し、そこ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であるのに対し、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は元素の識別を容易にし、原子軌道の完全な表記を書き出すよりも短い。[36]

希ガスはブロック間の境界を越えています。ヘリウムはs元素ですが、残りの元素はp元素です。これはIUPACグループの中では珍しいことです。他のIUPACグループはすべて、それぞれ1つのブロックに属する元素を含んでいます。このため、表全体の傾向に若干の矛盾が生じており、これを理由に、一部の化学者はヘリウムを他のs元素群と同じグループ2に移動すべきだと提案しましたが[37] [38] [39]、この変更は一般的には採用されていません。

化合物

青い中心原子 (Xe) が 4 つの周辺原子 (フッ素) に対称的に結合した平面化学分子のモデル。
四フッ化キセノン（XeF
4）、最初に発見された希ガス化合物の1つ

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に関与する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、中性ヘリウムを含むイオンが存在するという理論的根拠もいくつかあります）。一方、キセノン、クリプトン、アルゴンは反応性がほとんどありません。[40]

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ことを予測しました。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）が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ます。[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）、および過キセン酸ナトリウム（Na
4ゼオ
6キセノンはフッ素と反応して、以下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年現在、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などがあります。[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測されていますが、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測されています。 [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します。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ません。 [47]ラドンはキセノンよりも金属的な挙動を示します。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中では陽イオン性のRn 2+が形成されます。このため、運動学的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す。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が形成されたと考えられます。[48] [49] [50]

クリプトンはキセノンよりも反応性が低いですが、クリプトンの酸化数が+2の化合物がいくつか報告されています。[40] 二フッ化クリプトンが最も注目されており、容易に特性評価できます。極端な条件下では、クリプトンはフッ素と反応して、以下の反応式に従って KrF 2を生成します。

Kr + F 2 → KrF 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°F）および-90℃（-130°F）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中の低温下、または超音速希ガスジェット中でのみ観測されている。[40] 2000年には、同様の条件でアルゴンフッ化水素（HArF）などのアルゴンの最初の化合物が得られ、銅、銀、金などの後期遷移金属と結合した化合物も得られた。[40] 2007年現在、ヘリウムやネオンが共有結合した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。しかし、より洗練された理論的処理は、そのような外挿よりも高い反応性を示しており、「希ガス」という用語の適用性に疑問が投げかけられている。[52]オガネソンは、14族のシリコンやスズに似た性質を持つと予想されている。 [53]一般的な+4価とそれほど一般的ではない+2価の状態を持つ反応性の高い元素であり、[54] [55]常温常圧下では気体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・実験的検証が必要となる。[24] [56]（一方、フレロビウムは14族であるにもかかわらず、異常に揮発性が高いと予測されており、希ガスのような性質を示唆している。）[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ArFやKrFなどの化合物であり、励起電子状態の場合にのみ安定します。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します。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で構成されています。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あることです。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しますが、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ません。[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ハイドレートも形成します。[62]

中心に余分な原子があるバックミンスターフラーレンの骨格構造。
希ガス原子を含む内包フラーレン化合物

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あります。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、He@Cのような錯体を形成する。
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製されている。[ 64 ]これらの化合物は、希ガス原子の核磁気共鳴を利用したフラーレンの構造と反応性の研究に利用されている。 [65]

結合軌道と反結合軌道の模式図（本文参照）
XeFにおける結合
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、三中心四電子結合モデルを用いて説明できる。[66] [67]このモデルは1951年に初めて提案され、共線上にある3つの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）の集合によって記述される。結合は、Xeの満たされたp軌道と各F原子の半分満たされた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、そして空の反結合軌道が形成される。最高被占軌道は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

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します。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%です。宇宙におけるヘリウムの大部分はビッグバン元素合成時に生成されましたが、恒星内元素合成における水素の核融合（およびごくわずかです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ます。[69] [70]

地球上の存在率は異なる傾向を示す。例えば、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る。原子の質量が小さいため、ヘリウムは地球の重力場で保持されない。[71]地球上のヘリウムは、地殻中にあ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、アルゴンの存在率は、同じく地殻中にあるカリウム40のベータ崩壊によってアルゴン40が形成されることで増加する。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]

キセノンは大気中に予想外に少なく存在しており、これは「失われたキセノン問題」と呼ばれています。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とのことです。[73] [74]ラドンはリソスフェアでラジウムのアルファ崩壊によって生成されます。ラドンは基礎の亀裂から建物内に浸透し、換気の悪い場所に蓄積する可能性があります。ラドンは放射能が高いため、重大な健康被害をもたらし、米国だけでも年間約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、科学者によって人力で生成されます。

豊富ヘリウムネオンアルゴンクリプトンキセノンラドン
太陽系（シリコン原子1個あたり）[76]23432.1480.10255.515 × 10 −55.391 × 10 −6–
地球の大気（体積分率、ppm）[77]5.2018.209340.001.100.09(0.06–18) × 10 −19 [78]
火成岩（質量分率ppm）[23]3 × 10 −37 × 10 −54 × 10 −2––1.7 × 10 −10
ガス2004年価格（米ドル/m 3）[79]
ヘリウム（工業用）4.20～4.90
ヘリウム（実験室グレード）22.30～44.90
アルゴン2.70～8.50
ネオン60～120
クリプトン400～500
キセノン4000～5000

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]

抽出

ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンは、空気から、元素を液体状態に変換する気体液化法と、混合物を成分に分離する分留法によって得られます。ヘリウムは通常、天然ガスから分離して生成され、ラドンはラジウム化合物の放射性崩壊によって分離されます。[13]希ガスの価格は天然存在比によって左右され、アルゴンが最も安価で、キセノンが最も高価です。例として、隣の表は、2004年の米国における各ガスの実験室量価格を示しています。

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ありません。[81]

アプリケーション

中央に穴が開いており、側面にレールが取り付けられた大きな固体の円筒。
液体ヘリウムは、最新の MRI スキャナーの超伝導磁石を冷却するために使用されます。

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、窒素酔いとして知ら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で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減少します。[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、浮上時の圧力減少中に発生するガスの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の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]

側面に「Good Year」と書かれた葉巻型の飛行船。
グッドイヤー・ブリンプ

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、ヘリウムは燃えない。[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。また、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って研究するためにも使用されます。 [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母材を大気から遮蔽するために、また他の冶金プロセスや半導体産業におけるシリコンの製造にも一般的に使用されています。[78]

細長いガラス球の中に、互いに向かい合う2本の金属棒電極が入っています。一方の電極は鈍く、もう一方の電極は尖っています。
IMAXプロジェクターで使用される15,000ワットのキセノンショートアークランプ

希ガスは化学反応性が低いため、照明に広く使用されています。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速度を低下させるため、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。これらのランプはネオンにちなんで名付けられていますが、多くの場合、他のガスや蛍光体が含まれており、ネオンの橙赤色に様々な色合いが加えられています。キセノンは、キセノンアークランプによく使用されます。キセノンアークランプは、日光に似たほぼ連続したスペクトルを持つため、映画映写機などに使用されています。[78]

希ガスはエキシマレーザーに使用され、これはエキシマと呼ばれる短寿命の電子励起分子に基づいています。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すが、より一般的には、希ガスとハロゲンが結合したArF、KrF、XeF、XeClなどのエキシマです。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です。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ります。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ます。[92]

いくつかの希ガスは医療に直接応用されています。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ります。[78]キセノンは、脂質への溶解性が高く、通常の亜酸化窒素よりも強力であるため麻酔薬として使用されます。また、体外に排出されやすいため回復が早いです。[93]キセノンは、過分極MRIによる肺の医療画像診断に使用されています。[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ます。[13]

希ガス、特にキセノンは、その不活性性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、燃料とエンジン内の他の物質との間の望ましくない反応を防ぐため、化学的に不活性な燃料が求められます。

オガネソンは不安定すぎるため取り扱うことはできず、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ている。[95] [96]希ガスは地球の脱ガス史とそれが周囲の環境（すなわち大気組成[97] ）に及ぼす影響を解明することができる。希ガスは不活性で存在比が低いため、その濃度と同位体比の変化は、地質学的環境全体における希ガスの現在の特徴に影響を与えるプロセスを解明し、定量化するために利用できる。[96] [98]   

ヘリウム

ヘリウムには2つの豊富な同位体があります。ヘリウム3は地球の核とマントルに豊富に存在する原始的な同位体であり、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）の崩壊によって発生します。ヘリウムの同位体比は、空気中の測定値に対する相対値であるRA値（3 He / 4 He = 1.39*10 −6 ）で表されます。[99]地殻に由来する揮発性物質のRA値は0.02～0.05であり、これはヘリウム4が豊富に含まれていることを示しています。[100]大陸下リソスフェアマントル（SCLM）などの深部起源の揮発性物質のRA値は6.1±0.9 [101]であり、中央海嶺玄武岩（MORB）はより高い値（8±1 R A）を示す。 マントルプルームサンプルではさらに高いRA値を示す。 [ 101] [102]変化のない原始的特徴を示す太陽風のRA値は約330と報告されている。[103]    

ネオン

ネオンには20 Ne、21 Ne、22 Neという3つの主要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。[98] [104] 21 Neと22 Neは、地球の地殻において、アルファ粒子および中性子粒子と軽元素（ 18 O、19 F、24,25 Mg）との相互作用の結果として生成されます。 [105]ネオン比（20 Ne/ 22 Neおよび21 Ne/ 22 Ne）は、地球のマントルおよび揮発性物質源の不均一性を識別するために体系的に用いられています。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関する知見をさらに提供します。[106]       

20 Ne/ 22 Ne21 Ne/ 22 Neエンドメンバー
9.80.029エア[107]
12.50.0677モーブ[108]
13.810.0330太陽風[109]
03.30±0.2太古代地殻[110]
00.47先カンブリア時代の地殻[111]

アルゴン

アルゴンには、 36 Ar、38 Ar、40 Arという3つの安定同位体があります。36 Arと38 Arは太古の昔から存在し、地殻上への存在量は、地殻流体と天水との平衡に依存しています。[98]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。[104] [112] 40 Arは、 40 Kの放射性崩壊の生成物です。40 Ar / 36 Arの異なる端メンバー値が報告されています。空気 = 295.5、[113] MORB = 40,000、[113]地殻 = 3000。[98]    

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。 [95] [98]現代の大気に似たマントル貯留層におけるクリプトンの同位体の地球化学的特徴は、太陽のような原始的な特徴を保存しています。[114]クリプトン同位体は、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。[115]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発生源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。[116] [117]  

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。[118]さらに、分析中に質量差の小さ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。   

129キセノン/ 130キセノンエンドメンバー
6,496空気
7.7 [119]モーブ
6.7 [120]OIBガラパゴス
6.8 [121]OIBアイスランド

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。 [122]古典的な特定のサンプリングプロトコルには以下が含まれます。

  • 銅管 - 標準的な冷凍用銅管で、外径約10cm³、長さ3/8インチに切断されています。揮発性排出物のサンプリングに使用します。タイゴン®チューブを介して逆さにした漏斗を銅管に接続することで、一方向の流入を確保し、空気による汚染を防ぎます。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で端部を密閉することができます。
    • ギゲンバッハ瓶を用いた希ガスのサンプリング。温泉の上に漏斗を設置し、タイゴンチューブを通して試料の流れを瓶へと集中させます。地球化学者がテフロン製バルブを使って試料入口の流量を制御しています。真空にされたギゲンバッハ瓶内部の凝縮過程に注目してください。
      ギッゲンバッハ瓶 - ギッゲンバッハ瓶は、テフロン製のコックが付いた真空ガラスフラスコで、ガスのサンプリングと貯蔵に使用されます。希ガスがヘッドスペースに蓄積するため、サンプリング前に事前の真空引きが必要です。[123]この瓶は、ドイツの化学者ヴェルナー・F・ギッゲンバッハによって初めて発明され、販売されました。[124]
希ガスの分析

希ガスは多数の同位体と微妙な質量変化を持つため、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用いていましたが、これは時間がかかり、「ピークジャンピングモード」のために感度が低いという欠点がありました。[125] [126]四重極質量分析計（QMS）のような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。[126]希ガスの存在量が少ないため、分析前にサンプルの準備が不可欠であり、抽出、精製システムが必要です。[96]抽出は希ガスをキャリア（主要相：液体または固体）から分離し、精製は不純物を除去して単位サンプル量あたりの濃度を向上させます。[127]クライオジェニックトラップは、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。[128]

研究室では、ポータブル質量分析計（miniRuedi）などの小型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％の分析不確かさで希ガスを分析できます。[129]

抽出および精製（クリーンアップ）質量分析計ライン。

排出物の色

希ガスの放電の色とスペクトル (下の行)。純粋なガスを表すのは 2 行目のみです。
ワイヤーが巻かれたガラス管が紫色の光を放っているワイヤーが巻かれたガラス管がオレンジ色の光を放っているワイヤーが巻かれたガラス管に紫色の光が輝いているワイヤーが巻かれたガラス管が白色光を発しているワイヤーが巻かれた青い光を発するガラス管
ガラス管が赤く光る赤オレンジ色に輝くガラス管紫色に輝くガラス管青白く輝くガラス管青紫色に輝くガラス管
Hとeの文字の形をした明るい赤色のガス放電管Nとeの文字の形をしたオレンジ色のガス放電管が点灯しているAとrの文字の形をした光る水色のガス放電管Kとrの文字の形をした点灯した白色ガス放電管Xとeの文字の形をした光る紫色のガス放電管
ヘリウム線スペクトルネオンラインスペクトルアルゴン線スペクトルクリプトンの線スペクトルキセノン線スペクトル
ヘリウムネオンアルゴンクリプトンキセノン

ガス放電放出の色は、次のようないくつかの要因によって異なります。[130]

  • 放電パラメータ（電流密度と電界の局所的な値、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）
  • 放電管の外被の材質 - 厚い家庭用ガラスで作られた下段の管では、紫外線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

注記

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参考文献

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