GASOS NOBLES: CARACTERÍSTIQUES, CONFIGURACIÓ, REACCIONS, USOS - QUIMICA - 2025

Els gasos nobles són un conjunt d'elements que es troben integrant el grup 18 de la taula periòdica. Al llarg dels anys se'ls han cridat també gasos rars o inerts, ambdues denominacions inexactes; alguns d'ells són molt abundants fora i dins de la planeta Terra, i també són capaços, sota condicions extremes, de reaccionar.

Els seus set elements integren potser el grup més singular de la taula periòdica, les propietats i escasses reactivitats impressionen tant com la dels metalls nobles. Entre ells desfilen l'element més inert (neó), el segon més abundant de l'Cosmos (heli), i el més pesat i inestable (oganesón).

La brillantor de cinc dels gasos nobles en vials o ampolles de vidre. Font: New work Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew.de); original single images: Jurii, Els gasos nobles són les substàncies més fredes de la naturalesa; resisteixen temperatures molt baixes abans de condensar-se. Encara més difícil és la seva congelació, ja que les seves forces intermoleculars basades en la dispersió de London, i la polaritzabilitat dels seus àtoms, són molt febles com per a penes mantenir cohesionats en un vidre.

A causa de la seva baixa reactivitat, són gasos relativament segurs d'emmagatzemar i no representen massa riscos. No obstant això, poden desplaçar a l'oxigen dels pulmons i ocasionar asfíxia si se'ls s'inhalen en excés. D'altra banda, dos dels seus integrants són elements altament radioactius i, per tant, mortals per a la salut.

La baixa reactivitat dels gasos nobles s'aprofita també per proveir a les reaccions d'una atmosfera inert; de manera que cap reactiu o producte corri el risc d'oxidar-i afecti el rendiment de la síntesi. Això afavoreix més els processos de soldadura per arc elèctric.

D'altra banda, en els seus estats líquids són excel·lents refrigerants criogènics que garanteixen les més baixes temperatures, indispensables per al correcte funcionament d'equips altament energètics, o perquè alguns materials assoleixin estats de superconductivitat.

Característiques dels gasos nobles

A la dreta (ressaltat en taronja), es troba el grup dels gasos nobles. De dalt a baix: Heli (He), neó (Ne), argó (Ar), criptó (Kr), xenó (Xe) i radó (Rn).

Potser els gasos nobles són els elements que comparteixen més qualitats en comú, tant físiques com químiques. Les seves característiques principals són:

- Tots ells són incolors, inodors i insípids; però quan estan tancats en ampolles a baixes pressions, i reben una descàrrega elèctrica, s'ionitzen i acomiaden llums acolorides (imatge superior).

- Cada gas noble té la seva pròpia llum i espectre.

- Són espècies monoatómicas, les úniques en la taula periòdica que poden existir en els seus respectius estats físics sense la participació d'enllaços químics (ja que els metalls s'uneixen per enllaç metàl·lic). Per tant, són perfectes per estudiar les propietats dels gasos, ja que s'adapten molt bé a el model esfèric d'un gas ideal.

- En general són els elements amb els menors punts de fusió i ebullició; tant és així, que l'heli ni tan sols pot cristal·litzar en el zero absolut sense un augment de la pressió.

- De tots els elements són els menys reactius, encara menys que els metalls nobles.

- Les seves energies d'ionització són les més altes, així com els seus electronegativitats, assumint que formen enllaços purament covalents.

- Els seus radis atòmics igualment són els més petits per estar en els extrems drets de cada període.

Els 7 gasos nobles

Els set gasos nobles són, de dalt a baix descendint pel grup 18 de la taula periòdica:

-Helio, He

-Neón, Ne

-Argón, Ar

-Kriptón, Kr

-Xenón, Xe

-Radón, Rn

-Oganesón, Og

A tots ells, exceptuant a l'inestable i artificial oganesón, se'ls ha estudiat les seves propietats físiques i químiques. Es creu que el oganesón, per la seva gran massa atòmica, ni tan sols sigui un gas, sinó un líquid o sòlid noble. Poc se sap de l'radó, a causa del seu radioactivitat, en relació a l'heli o argó.

configuració electrònica

S'ha dit que els gasos nobles tenen la seva capa de valència totalment plena. Tal és així, que les seves configuracions electròniques s'utilitzen per simplificar la d'altres elements mitjançant l'ús dels seus símbols delimitades per claudàtors (,,, etc.). Els seus configuracions electròniques són:

-Helio: 1s ², (2 electrons)

-Neón: 1s ² 2s ² 2p ⁶, (10 electrons)

-Argón: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶, (18 electrons)

-Kriptón: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ^juny, (36 electrons)

-Xenón: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶, (54 electrons)

-Radón: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 4f ¹⁴ 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰ 6s ² 6p ⁶, (86 electrons)

L'important no és recordar-les, sinó detallar que acaben en ns ² np ⁶: l'octet de valència. Així mateix, s'aprecia que els seus àtoms tenen molts electrons, els quals arran de la gran força nuclear efectiva es troben en un volum menor comparat amb el dels altres elements; és a dir, les seves ràdios atòmics són més petits.

Per tant, els seus radis atòmics electrònicament densos exhibeixen una característica química que comparteixen tots els gasos nobles: són difícils de polaritzar.

polaritzabilitat

Els gasos nobles poden imaginar-se com esferes de núvols electrònics. Mentre es descendeix pel grup 18, les seves ràdios augmenten, i de la mateixa manera la distància que separa el nucli dels electrons de valència (els de l'ns ² np ⁶).

Aquests electrons a el sentir una força d'atracció menor per part de l'nucli, es poden moure amb més llibertat; les esferes es deformen amb més facilitat com més voluminoses siguin. En conseqüència de tals moviments, apareixen regions de baixa i alta densitats electròniques: els pols δ + i δ-.

Quan l'àtom d'un gas noble es polaritza, es converteix en un dipol instantani capaç d'induir un altre a l'àtom veí; és a dir, estem davant les forces dispersives de London.

És per això que les forces intermoleculars augmenten des del heli fins al radó, reflectint-se en les seves creixents punts d'ebullició; i no només això, sinó que també s'incrementen les seves reactivitats.

A l'polaritzar més els àtoms, hi ha més possibilitat que els seus electrons de valència participin en reaccions químiques, després de la qual cosa es generen compostos de gasos nobles.

reaccions

Heli i neó

Entre els gasos nobles els menys reactius són l'heli i el neó. De fet, el neó és l'element més inert de tots, tot i que la seva electronegativitat (de formar enllaços covalents) supera la de l'fluor.

No es coneix en condicions terrestres cap dels seus compostos; però, al Cosmos és bastant probable l'existència de l'ió molecular HeH ⁺. Així mateix, quan s'exciten electrònicament són capaços d'interaccionar amb àtoms gasosos i formar efímeres molècules neutres trucades excímeros; com ara HeNe, CsNe i Ne ₂.

D'altra banda, tot i que no es considerin compostos en un sentit formal, els àtoms d'He i Ne poden donar lloc a molècules de Van der Walls; és a dir, compostos que es mantenen "units" simplement per forces dispersives. Per exemple: Ag ₃ He, HECO, Hei ₂, CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ i NeBeCO ₃.

Igualment, com molècules de Van der Walls poden existir gràcies a interaccions febles ió-dipol induït; per exemple: Na ⁺ He _agost, Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ i Cu ⁺ Ne ₁₂. Cal notar que és possible inclusivament que aquestes molècules es converteixin en aglomerats d'àtoms: clústers.

I finalment, els àtoms d'He i Ne poden quedar "atrapats" o intercalats en complexos endoédricos de fullerens o clatrats, sense que arribin a reaccionar; per exemple: ₆₀, (N ₂) _juny Ne _juliol, He (H ₂ O) ₆ i Ne • NH ₄ Fe (HCOO) _març.

Argó i criptó

Els gasos nobles argó i criptó per ser més polarizables, tendeixen a presentar més "compostos" que els d'heli i neó. No obstant això, una part d'ells són més estables i caracteritzables, ja que tenen temps de vida més prolongats. Entre alguns d'ells hi ha el HArF, i l'ió molecular ARH ⁺, present en les nebuloses per acció dels raigs còsmics.

A partir del criptó comença la possibilitat d'obtenir-se compostos en condicions extremes, però sostenibles. Aquest gas reacciona amb el fluor segons la següent equació química:

Kr + F ₂ → KrF ₂

Nota: el criptó adquireix un nombre d'oxidació de +2 (Kr ²⁺) gràcies a l'fluor. El KrF ₂ de fet es pot sintetitzar en quantitats comerciables com a agent oxidant i fluorante.

El argó i criptó poden establir un ampli repertori de clatrats, complexos endoédricos, molècules de Van der Walls, i alguns compostos tot esperant ser descoberts posterior a la seva existència predita.

Xenó i radó

El xenó és, entre els gasos nobles, el rei de la reactivitat. Forma els compostos veritablement estables, comerciables i caracteritzables. De fet, la seva reactivitat s'assembla a la de l'oxigen en les condicions apropiades.

El seu primer compost sintetitzat va ser el "XePtF _juny ", el 1962 per Neil Bartlett. Aquesta sal en realitat, segons la bibliografia, consistia d'una mescla complexa d'altres sals fluorades de xenó i platí.

Tanmateix, això va ser més que suficient per demostrar l'afinitat entre el xenó i el fluor. Entre alguns d'aquests compostos tenim: XeF ₂, XeF ₄, XeF ₆ i ^{+ -}. Quan el XeF ₆ es dissol en aigua, genera un òxid:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

Aquest XeO ₃ pot originar les espècies conegudes com xenatos (HXeO ₄ ^-) o l'àcid xénico (H ₂ XeO ₄). Els xenatos es desproporcionan a perxenatos (XeO ₆ ^4-); i si el mitjà s'acidifica després, en àcid perxénico (H ₄ XeO ₆), el qual es deshidrata a tetròxid de xenó (XeO ₄):

H ₄ XeO ₆ → 2 H ₂ O + XeO ₄

El radó hauria de ser el més reactiu dels gasos nobles; però és tan radioactiu, que pràcticament tot just té temps de reaccionar abans de desintegrar-se. Els únics compostos que s'han plenament sintetitzat són la seva fluorur (RNF ₂) i òxid (RNO ₃).

producció

Liqüefacció de l'aire

Els gasos nobles es tornen més abundants en l'Univers a mesura que baixem pel grup 18. En l'atmosfera, però, és escàs el heli, ja que el camp gravitatori de la Terra no pot retenir-a diferència d'altres gasos. És per això que no se li va detectar en l'aire sinó en el Sol.

En canvi, en l'aire hi ha notables quantitats d'argó, provinent de l'decaïment radioactiu de l'radioisòtop ⁴⁰ K. L'aire és la font natural d'argó, neó, criptó i xenó més important de la planeta.

Per produir-los, primer l'aire s'ha de sotmetre a liqüefacció perquè condensi en un líquid. Després, a aquest líquid se li realitza una destil·lació fraccionada, separant així cada un dels components de la seva barreja (N ₂, O ₂, CO ₂, Ar, etc.).

Depenent de què tan baixa ha de ser la temperatura i l'abundància de el gas, els seus preus augmenten, situant-se el xenó com el més costós, mentre l'heli com el més barat.

Destil·lació de el gas natural i minerals radioactius

El heli, per la seva banda, s'obté d'una altra destil·lació fraccionada; però no de l'aire, sinó de el gas natural, enriquit d'heli gràcies a l'alliberament de partícules alfa dels minerals radioactius de tori i urani.

Així mateix, el radó "neix" de l'decaïment radioactiu de el radi en els seus respectius minerals; però a causa de la seva menor abundància, i a el temps curt de vida mitjana dels àtoms Rn, la seva abundància és irrisòria comparada amb la dels seus congèneres (els altres gasos nobles).

I finalment, el oganesón és un "gas" noble artificial, ultramásico i molt radioactiu, que només pot existir breument en condicions controlades dins d'un laboratori.

perills

El risc principal dels gasos nobles consisteix que limiten la utilització de l'oxigen per l'home, especialment quan es produeix una atmosfera amb alta concentració d'ells. És per això que no es recomana inhalar en excés.

Als Estats Units s'ha detectat una alta concentració de l'radó en terrenys rics en urani, la qual cosa causa de les seves característiques radioactives podria ser un risc per a la salut.

usos

indústria

L'heli i l'argó s'usen per crear una atmosfera inert que serveixi de protecció durant la soldadura i el tall. A més, s'utilitzen en la fabricació de semiconductors de silici. L'heli s'usa com a gas de farciment en termòmetres.

El argó, en combinació amb el nitrogen, s'usa en l'elaboració de làmpades incandescents. El criptó barrejat amb halògens, com el brom i el iode, s'usa en làmpades de descàrrega. El neó s'usa en avisos lluminosos, barrejat amb llumins i altres gasos per matisar el seu color vermell.

El xenó s'usa en làmpades d'arc que emeten una llum que s'assembla a la llum del dia, les quals són utilitzades en els fars d'automòbils i projectors. Els gasos nobles es barregen amb halògens per produir ArF, KrF o XeCl, els quals s'utilitzen en la producció de làsers excímeros.

Aquest tipus de làser produeix una llum ultraviolada d'ona curta que produeix imatges d'alta precisió i s'usa en la fabricació de circuits integrats. L'heli i el neó s'usen com a gasos refrigerants criogènics.

Globus i tancs de respiració

L'heli s'usa com a substitut de l'nitrogen en la barreja de gasos respiratoris, per la seva baixa solubilitat en el cos. Això evita la formació de bombolles durant la fase de descompressió durant l'ascens, a més d'eliminar la narcosi per nitrogen.

L'heli ha reemplaçat a l'hidrogen com el gas que permet l'elevació de globus dirigibles i aerostàtics, pel fet que és un gas lleuger i incombustible.

Medicina

L'heli s'usa en la fabricació dels imants superconductors que s'empren en els equips de ressonància magnètica nuclear: una eina d'aplicació múltiple en medicina.

El criptó s'usa en els llums d'halogen utilitzades en la cirurgia ocular amb làser i en l'angioplàstia. L'heli s'utilitza per facilitar la respiració en pacients asmàtics.

El xenó s'utilitza com a anestèsic per la seva alta solubilitat en lípids, i es pensa que és l'anestèsic de el futur. També s'empra el xenó en les imatges mèdiques pulmonars.

El radó, un gas noble radioactiu, s'empra en la radioteràpia d'alguns tipus de càncer.

altres

El argó s'usa en la síntesi de compostos substituint a l'nitrogen com a atmosfera inert. L'heli s'usa com a gas acarreador en la cromatografia de gasos, així com en els comptadors Geiger per mesurar la radiació.

referències

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 juny 2019). Noble Gasos Properties, Usis and Sources. Recuperat de: thoughtco.com
4. Wikipedia. (2019). Noble gas. Recuperat de: en.wikipedia.org
5. Philip Ball. (18 de gener de 2012). Impossible chemistry: forcing noble gasos to work. Recuperat de: newscientist.com
6. Professor Patricia Shapley. (2011). Noble Gas Chemistry. Recuperat de: butane.chem.uiuc.edu
7. Gary J. Schrobilgen. (28 de febrer de al 2019). Noble gas. Encyclopædia Britannica. Recuperat de: britannica.com