19. yüzyılın sonlarında keşfedilen asal gazlar, kimyasal elementler arasındaki en kararlı grubu oluştururlar. Altı adet asal gaz vardır: helyum, neon, argon, kripton, ksenon ve radon pek çok modern kullanım alanına sahiptir. İlk keşfedildiklerinde, tuhaf uzak durucu özellikleri tam bir gizemdi.
Benzersiz bir biçimde kararlıdırlar, kimyasal reaksiyonlara katılmak konusunda isteksiz görünürler. Fakat asal gazların kararlılık özelliklerinin anlaşılmasıyla, fizikçiler kimyasal bağlanmaya dair anahtar özellikleri keşfettiler. Dmitri Mendeleev, elementlerin atomik ağırlıklarına göre sütün ve satırlarda dizildiği periyodik tablosuna asal gazları 1902 yılında eklemişti. Mendeleev, elementlerin özelliklerinde tekrarlayan (veya periyodik) desenler fark etmişti. Asal gazlar, periyodik tabloda düzenle dizilmiş bir biçimdeydi, her satırın sekizinci sütununda yer alıyorlardı.
Fizikçiler bu merak uyandırıcı gözlemi açıklayabilecek bir model bulma konusunda zorlandılar. Sekiz sayısının önemi neydi?
1912 yılında Niels Bohr adındaki Danimarkalı genç bir fizikçi, atom hakkındaki anlayışımızı sonsuza dek değiştiren yeni bir açıklamayla ortaya çıktı. Danimarka’da doktora çalışmasını tamamlamasının ardından, tıpkı gezegenlerin bir yıldızın çevresinde dönmesi gibi, elektronların da bir atomun yoğun çekirdeği etrafında döndüğünü öne süren Ernest Rutherford’la birlikte çalışmak için İngiltere’ye gitti.
Bohr, Rutherford’un modelinin doğru iz üzerinde olduğunu fakat deneysel verilerle yeterince uyuşmadığını fark etti. Bunun yerine elektronların gerçekten de pozitif yüklü çekirdek etrafında döndüğünü ama çekirdekten sadece belirli uzaklıklarda yer alabileceğini öne sürdü.
Bohr; elektronların, tıpkı bir soğanın katmanları atomu çevreleyen bu enerji “kabuklarını” işgal ettiklerini, fakat kabuklar arasında asla yer alamayacaklarını öne sürdü. Bohr’un atom modeli bir devrimdi ve kuantum mekaniğinin gelişiminde anahtar bir rol oynadı.
Bohr’un modelini kullanarak, Gilbert Lewis adındaki bir fizikçi, asal gazların kararlılığına dair inanılmaz bir açıklamayla ortaya çıktı. Lewis’e göre; ilk kabuk hariç, atom çevresindeki her elektron kabuğu, 8 adet elektron içerdiği takdirde kararlı oluyordu, sadece ilk kabukta 2 tane elektron yer alıyordu. Atomlar, en dıştaki kabuklarının 8 elektron içerdiğinden emin olmak için çaba harcarlar. Bu kabuklar tam dolu olmadıklarında, atomlar dış kabuklarını tamamlamak için elektron ödünç alırlar, elektron ödünç verirler veya başka atomlarla elektronlarını ortaklaşa kullanırlar. Bu da kimyasal bağlanmaya neden olur, yani elementlerin bileşikleri oluşturmak üzere kombinasyonunu.
Asal gazlar, dış kabuklarında 8 adet elektrona sahip oldukları için (helyum hariç, helyumun dış kabuğunda 2 adet elektron bulunur), kimyasal bağ oluşturmaya dirençlidir. Fakat yine de asal gazlar için kimyasal bağ oluşturmak mümkündür. Ksenon ve kripton, aşırı derecede güçlü bir oksidan olan flor gazıyla, ksenon florid (XeF2) gibi bileşikleri oluşturmak üzere tepkimeye girebilir. Helyum ve neonun da kararlı bileşikler oluşturamayacağı düşünülüyordu. Fakat Stony Brook Üniversitesi’nden Artem Oganov’un liderliğindeki bir araştırma ekibi, helyumun yüksek basınç altında, Na2He oluşturmak üzere sodyuma tepkimeye girebildiğini gösterdi.
Fakat asal gazların kararlığı, pratik kullanımlarının altında yatan mekanizmayı işletir. Argon kaynaklama işleminde zırh olarak kullanılırken, helyum MR cihazlarında ve süperiletkenlerde kriyojenik soğutucu olarak kullanılır. Ayrıca helyum gazı yanmadığı için, hava balonlarında kaldırıcı gaz olarak kullanılır.
Asal gazlarla en yaygın karşılaşmamız ise, muhtemelen neon lambaları gibi, gaz boşalım lambalarıdır. Bu lambalarda, yüksek voltajlı elektriksel bir boşalım, düşük basınçlı neon gazı içeren bir tip boyunca ilerler. Bu elektriksel boşalım, neon atomlarındaki elektronları uyararak, elektronların bulundukları kararlı kabuklardan, daha üst kabuklara sıçramalarına neden olur. Bu da haliyle Lewis’in “dış kabukta 8 elektron” kuralını bozar. Bu nedenle uyarılmış elektron önünde sonunda ait olduğu kabuğa geri döner. Elektron daha aşağıdaki kabuğa geri döndüğünde ise, bir ışık fotonu şeklinde enerji yayımlar.
Işığın rengine denk gelen ışığın dalga boyu ise, yüksek enerji kabuğu ile aşağıdaki kabuk arasındaki enerji farkına bağlıdır. Bu da elektronları uyarıldığında, her elementin, elektronların zıplayabileceği farklı kabuklara sahip olmasından dolayı, karakteristik dalga boylarına sahip ışıklar yayınlayacağı anlamına gelir. Bu da neden neon lambalarının kırmızı-turuncu, argon lambalarının lavanta mavisi ve ksenon lambalarının mavi-yeşil renklerde ışık verdiğini açıklar. Tüm neden, her atomdaki uyarılmış elektronların evlerine dönüş yolunu nasıl buldukları ve dış kabuğu nasıl tamamlamaları ile alakalıdır.
Böylelikle hem asal gazların kararlılığının, hem de neon lambalarındaki parlak ve uçuk renklerin izini, kuantum mekaniğindeki aynı tuhaf özelliğe varana dek sürebiliriz: Gilbert Lewis’in sekiz kuralı.
Kaynaklar
1)Bilimfili.com-Asal Gazlar Nasıl Işık Verir?-19 Haziran 2017 Bilimfili.com
2)How noble gases give us neon lights
