Teksti Sisko Loikkanen, kuvat iStock
Jalokaasut on tunnettu yli 130 vuotta, mutta vasta viime aikoina on löydetty kiehtovia hydridi-ioneita avaruussumuista. Maan pinnalla kemistit ovat kesyttäneet osan jalokaasuista reagoimaan. Helppoa se ei ole, sillä näillä alkuaineilla ei ole tarvetta sidoksiin.
Skotlantilainen kemisti William Ramsey löysi tutkimuksissaan jalokaasujen varsin inertin eli haluttomasti reagoivan alkuaineryhmän 1890-luvulla. Hän sijoitti jalokaasut omaksi ryhmäksi alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään. Heliumia oli havaittu jo aikaisemmin Auringon spektristä. Ramsay palkittiin jalokaasutöistään kemian Nobelilla vuonna 1904.
Luonnossa esiintyviä jalokaasuja ovat helium He, neon Ne, argon Ar, krypton Kr, ksenon Xe ja radon Rn. Ne ovat alkuainetaulukon oikeassa reunassa kahdeksantena pääryhmänä. Ryhmään on lisätty myös keinotekoisesti valmistettu oganesson Og.
Jalokaasut ovat passiivisia eivätkä osallistu halukkaasti reaktioihin. Tämä johtuu siitä, että niissä atomin uloin elektronikuori on täysi. Kuorella on siis niin paljon elektroneja kuin sinne mahtuu.
Rakenne on energeettisesti hyvin stabiili. Jos ulkokuori olisi vajaa, atomi muodostaisi mielellään kemiallisia sidoksia toisten atomien kanssa.
Jalokaasuilla tähän ei ole tarvetta. Ne pärjäävät hyvin yksikseen. Ilmakehäkin sisältää hyvin pieniä määriä jalokaasuja yksiatomisina kaasuina.
Ensimmäinen jalokaasuyhdiste tehtiin ksenonista
Kemisteille jalokaasujen passiivisuus oli pitkään haaste. Heitä askarrutti, olisiko sittenkin mahdollista, että jalokaasuatomit muodostaisivat molekyylejä. Aihetta pohdiskeli 1930-luvulla muun muassa amerikkalainen, myöhemmin kemian Nobelilla palkittu Linus Pauling.
Vuonna 1962 tuli vihdoin läpimurto, kun Neil Bartlett onnistui valmistamaan Kanadassa ensimmäisen jalokaasuyhdisteen ksenonheksafluoroplatinaatin XePtF6.
Mahdottomasta oli tullut mahdollista. Pioneerina Bartlettista tuli kuuluisuus, joka innosti muitakin kemistejä jalokaasukemian pariin.
Melko pian tämän jälkeen kryptonista onnistuttiin tekemään kryptondifluoridia KrF2 ja ksenonista ksenondifluoridia XeF2. Myöhemmin havaittiin, että Bartlettin kiteinen XePtF6 olikin itse asiassa suola (XeF)+ (PtF5)-.
Nykypäivään mennessä jalokaasuyhdisteitä on tehty satoja, mutta ei suinkaan vielä kaikista jalokaasuista.
Haastetta riittää edelleen. Eniten yhdisteitä on valmistettu ksenonista, josta tunnetaan oksideja ja fluorideja mutta myös useita hiiltä sisältäviä rakenteita.
”Ksenon on raskas alkuaine, jonka isokokoisessa atomissa ulkokuoren elektronit ovat kaukana ytimestä. Ulkokuorta voidaan kemiallisesti muokata, jolloin se muita jalokaasuja helpommin muodostaa kemiallisia sidoksia. Ksenonista voidaan tehdä erilaisia inkluusioyhdisteitä ja kiteisiä suoloja, jotka ovat stabiileja huoneenlämpötilassa”, professori Jan Lundell Jyväskylän yliopistosta luonnehtii.
”Heliumhydridi on pienin avaruudesta havaittu kemiallisesti sitoutunut rakenne.”
Avaruudessa luuraa jalokaasujen hydridi-ioneja
Kevein jalokaasu helium on maailmankaikkeuden toiseksi yleisin alkuaine vedyn jälkeen. Jo 1970-luvulla tutkijat esittivät, että maailmankaikkeuden alkuhistorian rankoissa prosesseissa helium on kenties saattanut yhdistyä vetyyn hydridi-ioniksi.
Vuonna 2019 hydridi-ioni HeH+ löydettiinkin Joutsenen tähdistön alueella olevasta kaasusumusta NGC 7027.
”Heliumhydridi on pienin avaruudesta havaittu kemiallisesti sitoutunut rakenne”, Lundell sanoo.
Jo tätä ennen vuonna 2013 löydettiin Härän tähdistön alueelta supernovaräjähdyksen tuloksena syntyneestä Rapusumusta vastaavanlaista argonin ja vedyn muodostamaa hydridi-ionia ArH+.
Laboratoriossa keveästä heliumista ja toiseksi keveimmästä jalokaasusta neonista ei ole onnistuttu tekemään pysyviä, neutraaleja yhdisteitä.
Heliumin parissa työskentely on hankalaa, koska atomikooltaan pienenä se purkautuu helposti koelaitteistojen mitättömistä raoista. Heliumpalloistakin se karkaa avaruuteen.
”Jos heliumista ja neonista onnistutaan tekemään yhdisteitä, kyse olisi merkittävästä tuloksesta, joka avaisi uusia näkymiä ymmärrykseen kemiallisista sidoksista. Tässä onkin haastetta tutkijoille”, Lundell esittää.
Myös radon on tutkimuskohteena haasteellinen, koska se on radioaktiivista.
”Teoreettisesti on osoitettu, että se voisi muodostaa samantapaisia yhdisteitä kuin ksenon, mutta kukaan ei halua työskennellä niin vaarallisen aineen parissa. Siitä ei ole tehty neutraaleja, kemiallisesti sidottuja yhdisteitä. Maaperässä on radonia, ja maapallon sisäosien kuumuudessa sitä saattaa olla kemiallisesti sitoutuneena mineraaleihin.”
Argonmolekyyli syntyi Helsingin yliopistossa
Fysikaalisen kemian professori Markku Räsänen tutki 1990-luvulta alkaen ryhmänsä kanssa jalokaasujen kemiaa Helsingin yliopistossa. Kun Räsänen jäi eläkkeelle 2016, matalien lämpötilojen jalokaasututkimus pysähtyi.
Räsäsen laboratoriossa valmistettiin peräti yli kaksikymmentä jalokaasuyhdistettä, kuten hydridit ksenonista ja kryptonista.
Vuosituhannen alussa laboratoriosta putkahti julkisuuteen maailman ensimmäinen neutraali argonmolekyyli argonfluorohydridi HArF. Se on pysyvä vain alhaisessa lämpötilassa, mutta hajoaa lämpötilan noustessa.
Jalokaasuyhdisteet tehtiin matriisi-isolaatio-menetelmällä, joka alun perin oli kehitetty 1950-luvulla Yhdysvalloissa radikaalien tutkimiseen eristävässä kylmässä ympäristössä.
”Argonfluorohydridia HArF syntyi, kun ultraviolettivaloa kohdistettiin kryostaatissa hyvin matalaan, 15 Kelvinin lämpötilaan jäähdytettyyn ohueen argonpintaan, joka sisälsi pienen määrän vetyfluoridia. UV-valon vaikutuksesta vetyfluoridi pilkkoutui vedyksi ja fluoriksi. Kun lämmitimme näytettä 40 Kelvinin lämpötilaan, vety liikkui jalokaasumatriisissa ja sääteli vetyargonfluoridin syntymistä”, Lundell kertoo.
”Jalokaasu saadaan reaktiiviseksi muuttamalla atomin ulointa elektronikuorta.”
Hydridejä kuvataan usein yleiskaavalla HNgY, jossa H on vetyä, Ng on jalokaasuatomi ja Y on elektronegatiivinen fragmentti kuten halogeeniatomi, CN-, OH-, SH- tai NCO-ryhmä.
”Jalokaasu saadaan reaktiiviseksi muuttamalla atomin ulointa elektronikuorta. Kun kuorelta otetaan elektroni pois, saadaan halogeeniatomia vastaava ulkokuori, joka on halukas reagoimaan. Reaktioon tarvitaan siis partneri, joka ottaa jalokaasulta elektronin pois ja toinen partneri, joka tuo sidokseen elektronin”, Lundell kuvailee.
Kirurgisia toimenpiteitä molekyyliin
Jan Lundell työskenteli professori Räsäsen tutkimusryhmässä ennen siirtymistään professoriksi Jyväskylän yliopistoon.
Hän on ollut mukana, kun jalokaasututkimusta Helsingin yliopistossa on jälleen käynnistetty Suomen Akatemian rahoittamassa Jyväskylän yliopiston ja Helsingin yliopiston konsortiohankkeessa.
Vanha tutkimuslaitteisto on modernisoitu erityisesti ilmakehän reaktioiden ja molekyylien tutkimiseen.
”Uudistetussa laboratorioympäristössä on säädettävät IR- ja vis-UV -laserit, josta voimme ottaa käyttöön erittäin kapean aallonpituusalueen ja kohdistaa sen tarkasti tiettyyn sidokseen molekyylissä. Näin voimme tehdä suorastaan kirurgisia toimenpiteitä molekyyliin ja muuttaa hallitusti molekyylin avaruudellista rakennetta.”
Lundellin mukaan kyse on rakenneselektiivisestä tutkimuksesta, jossa selvitetään molekyylin tarkka rakenne, sidokset ja hajoamistapa. Ilmiöt pyritään selvittämään molekyylitason pienimpiä yksityiskohtia myöten.
”Molekyyli voi olla tutkittavassa matriisissa paikallisesti vaihtelevassa ympäristössä, mikä myös vaikuttaa siihen, kuinka energia virtaa molekyylissä ja molekyylistä pois. Jotta ymmärrämme ilmiöt matriisissa, tarvitsemme jopa tarkan tiedon paikallisesta ympäristöstä”, Lundell tarkentaa.
Jalokaasuyhdisteet haastavat kemistien taitoja ja avartavat tietämystä kemiallisista sidoksista. Alhaisissa lämpötiloissa jalokaasut tarjoavat käyttökelpoisen tavan tutkia myös muiden molekyylien ominaisuuksia.
Jalokaasuyhdisteitä tutkitaan perusilmiöiden selvittämiseksi. Ksenondifluoridia valmistetaan kaupallisesti ja sitä käytetään muun muassa piikiekkojen etsaukseen.
Tulevaisuus näyttää, miten jalokaasujen kemia saadaan valjastettua kemialliseen hyötykäyttöön.
Nostoja tästä kyseisetä artikkelista tässä paikassa
-
Ennen luultiin
Jalokaasut ovat passiivisia eivätkä muodosta lainkaan kemiallisia sidoksia. -
Nyt tiedetään
Kemistit ovat onnistuneet tekemään jalokaasuista yhdisteitä laboratoriossa. Avaruudesta on löydetty pari jalokaasujen hydridiä. -
Avoin kysymys
Kuinka saada jalokaasukemia hyötykäyttöön?
