gas noble
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Gases nobles
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoPlancharCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatineRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenciumRutherfordioDubniumSeaborgioBohriumHassiumMeitnerioDarmstadtiumRoentgenioCopérnicoNihoniumFlerovioMoscoviumLivermoriumTennessineOganesson
halógenos ←   → metales alcalinos
Número de grupo IUPAC18
Nombre por elementogrupo de helio o
grupo de neón
Nombre trivialGases nobles
Número de grupo CAS
(EE. UU., Patrón ABA)
VIIIA
antiguo número IUPAC
(Europa, patrón AB)
0
↓  Periodo
1
Helio (He)
2
2
Neón (Ne)
10
3
Argón (Ar)
18
4
Criptón (Kr)
36
5
Xenón (Xe)
54
6Radón (Rn)
86
7Oganesson (Og)
118

Leyenda

elemento primordial
elemento por desintegración radiactiva
Color del número atómico: rojo = gas
  • v
  • t
  • mi

Los gases nobles (históricamente también los gases inertes ; a veces denominados aerógenos [1] ) constituyen una clase de elementos químicos con propiedades similares; En condiciones estándar , todos son gases monoatómicos , incoloros e inodoros con muy baja reactividad química . Los seis gases nobles de origen natural son helio (He), neón (Ne), argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe) y radón radiactivo (Rn).

Oganesson (Og) es un elemento altamente radiactivo producido sintéticamente, que se predice de diversas maneras como otro gas noble, o para romper la tendencia y ser reactivo, debido a efectos relativistas . En parte debido a la vida media extremadamente corta de 0,7 ms de su único isótopo conocido, su química aún no se ha investigado.

Durante los primeros seis períodos de la tabla periódica , los gases nobles son exactamente los miembros del grupo 18 . Los gases nobles suelen ser muy poco reactivos, excepto cuando se encuentran en condiciones extremas particulares. La inercia de los gases nobles los hace muy adecuados en aplicaciones donde no se desean reacciones. Por ejemplo, el argón se usa en lámparas incandescentes para evitar que el filamento de tungsteno caliente se oxide; Además, los buzos de aguas profundas utilizan el helio para respirar gas para prevenir la toxicidad por oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono (hipercapnia) .

Las propiedades de los gases nobles pueden explicarse bien por las teorías modernas de la estructura atómica : su capa exterior de electrones de valencia se considera "completa", lo que les da poca tendencia a participar en reacciones químicas, y sólo ha sido posible preparar una unos cientos de compuestos de gases nobles . Los puntos de fusión y ebullición de un gas noble determinado están muy próximos entre sí, difiriendo en menos de 10 ° C (18 ° F); es decir, son líquidos en un pequeño rango de temperatura.

El neón, el argón, el criptón y el xenón se obtienen del aire en una unidad de separación de aire utilizando los métodos de licuefacción de gases y destilación fraccionada . El helio se obtiene de campos de gas natural que tienen altas concentraciones de helio en el gas natural , utilizando técnicas de separación criogénica de gas , y el radón generalmente se aísla de la desintegración radiactiva de compuestos de radio , torio o uranio disueltos . Los gases nobles tienen varias aplicaciones importantes en industrias como la iluminación, la soldadura y la exploración espacial. ALos buceadores de aguas profundas suelen utilizar el gas de respiración helio-oxígeno a profundidades de agua de mar de más de 55 m (180 pies). Después de que los riesgos causados ​​por la inflamabilidad del hidrógeno se hicieron evidentes en el desastre de Hindenburg , fue reemplazado por helio en globos y dirigibles .

Historia

Gas noble se traduce del sustantivo alemán Edelgas , utilizado por primera vez en 1898 por Hugo Erdmann [2] para indicar su nivel extremadamente bajo de reactividad. El nombre hace una analogía con el término " metales nobles ", que también tienen baja reactividad. Los gases nobles también se han denominado gases inertes , pero esta etiqueta está en desuso ya que ahora se conocen muchos compuestos de gases nobles . [3] Gases raros es otro término que se utilizó, [4] pero también es inexacto porque el argón forma una parte bastante considerable (0,94% en volumen, 1,3% en masa) de la atmósfera de la Tierra.debido a la desintegración del potasio-40 radiactivo . [5]

El helio se detectó por primera vez en el Sol debido a sus características líneas espectrales .

Pierre Janssen y Joseph Norman Lockyer habían descubierto un nuevo elemento el 18 de agosto de 1868 mientras miraban la cromosfera del Sol , y lo llamaron helio por la palabra griega para el Sol, ἥλιος ( hḗlios ). [6] En ese momento no era posible realizar ningún análisis químico, pero más tarde se descubrió que el helio era un gas noble. Antes que ellos, en 1784, el químico y físico inglés Henry Cavendish había descubierto que el aire contiene una pequeña proporción de una sustancia menos reactiva que el nitrógeno . [7] Un siglo después, en 1895, Lord Rayleighdescubrió que las muestras de nitrógeno del aire tenían una densidad diferente a la del nitrógeno resultante de reacciones químicas . Junto con el científico escocés William Ramsay del University College de Londres , Lord Rayleigh teorizó que el nitrógeno extraído del aire se mezclaba con otro gas, lo que llevó a un experimento que aisló con éxito un nuevo elemento, el argón, de la palabra griega ἀργός ( argós , "inactivo "o" perezoso "). [7] Con este descubrimiento, se dieron cuenta de que faltaba una clase completa de gases en la tabla periódica. Durante su búsqueda de argón, Ramsay también logró aislar helio por primera vez mientras calentabacleveita , un mineral. En 1902, tras aceptar la evidencia de los elementos helio y argón, Dmitri Mendeleev incluyó estos gases nobles como grupo 0 en su disposición de los elementos, que más tarde se convertiría en la tabla periódica. [8]

Ramsay continuó su búsqueda de estos gases utilizando el método de destilación fraccionada para separar el aire líquido en varios componentes. En 1898, descubrió los elementos kriptón , neón y xenón , y los nombró por las palabras griegas κρυπτός ( kryptós , "oculto"), νέος ( néos , "nuevo") y ξένος ( ksénos , "extraño"), respectivamente. . El radón fue identificado por primera vez en 1898 por Friedrich Ernst Dorn , [9] y recibió el nombre de emanación de radio., pero no se consideró un gas noble hasta 1904 cuando se encontró que sus características eran similares a las de otros gases nobles. [10] Rayleigh y Ramsay recibieron los premios Nobel de Física y Química de 1904 , respectivamente, por su descubrimiento de los gases nobles; [11] [12] en palabras de JE Cederblom, entonces presidente de la Real Academia Sueca de Ciencias , "el descubrimiento de un grupo completamente nuevo de elementos, de los cuales ningún representante había sido conocido con certeza, es algo absolutamente único en la historia de la química, siendo intrínsecamente un avance en la ciencia de peculiar significado ". [12]

El descubrimiento de los gases nobles ayudó al desarrollo de una comprensión general de la estructura atómica . En 1895, el químico francés Henri Moissan intentó formar una reacción entre el flúor , el elemento más electronegativo , y el argón, uno de los gases nobles, pero fracasó. Los científicos no pudieron preparar compuestos de argón hasta finales del siglo XX, pero estos intentos ayudaron a desarrollar nuevas teorías de la estructura atómica. Aprendiendo de estos experimentos, el físico danés Niels Bohr propuso en 1913 que los electrones de los átomos están dispuestos en capas que rodean el núcleo., y que para todos los gases nobles, excepto el helio, la capa más externa siempre contiene ocho electrones. [10] En 1916, Gilbert N. Lewis formuló la regla del octeto , que concluyó que un octeto de electrones en la capa exterior era la disposición más estable para cualquier átomo; esta disposición hizo que no reaccionaran con otros elementos, ya que no necesitaban más electrones para completar su capa exterior. [13]

En 1962, Neil Bartlett descubrió el primer compuesto químico de un gas noble, el hexafluoroplatinato de xenón . [14] Poco después se descubrieron compuestos de otros gases nobles: en 1962 para el radón, el difluoruro de radón ( RnF
2), [15] que se identificó mediante técnicas de radiotrazadores y en 1963 para el criptón, difluoruro de criptón ( KrF
2). [16] El primer compuesto estable de argón se informó en 2000 cuando se formó fluorohidruro de argón (HArF) a una temperatura de 40 K (-233,2 ° C; -387,7 ° F). [17]

En octubre de 2006, científicos del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear y del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore crearon con éxito sintéticamente oganesson , el séptimo elemento del grupo 18, [18] bombardeando californio con calcio. [19]

Propiedades físicas y atómicas

Propiedad [10] [20]HelioNeónArgónCriptónXenónRadónOganesson
Densidad (g / dm 3 )0.17860.90021,78183.7085.8519,977200 (previsto) [21]
Punto de ebullición (K)4.427,387,4121,5166,6211,5450 ± 10 (previsto) [21]
Punto de fusión (K)- [22]24,783,6115,8161,7202,2325 ± 15 (previsto) [21]
Entalpía de vaporización (kJ / mol)0,081,746.529.0512,6518,1-
Solubilidad en agua a 20 ° C (cm 3 / kg)8,6110,533,659,4108,1230-
Número atómico21018365486118
Radio atómico (calculado) ( pm )31387188108120-
Energía de ionización (kJ / mol)237220801520135111701037839 (previsto) [23]
Electronegatividad de Allen [24]4.164,793,242,972,582,60-
Para obtener más datos, consulte Gas noble (página de datos) .

Los gases nobles tienen una fuerza interatómica débil y, en consecuencia, tienen puntos de fusión y ebullición muy bajos . Todos son gases monoatómicos en condiciones estándar , incluidos los elementos con masas atómicas más grandes que muchos elementos normalmente sólidos. [10] El helio tiene varias cualidades únicas en comparación con otros elementos: su punto de ebullición a 1 atm es más bajo que el de cualquier otra sustancia conocida; es el único elemento conocido que exhibe superfluidez ; y es el único elemento que no puede solidificarse enfriando a presión atmosférica [25](un efecto explicado por la mecánica cuántica ya que su energía de punto cero es demasiado alta para permitir la congelación) [26] - se debe aplicar una presión de 25 atmósferas estándar (2500  kPa ; 370  psi ) a una temperatura de 0,95 K (−272.200 ° C ; -457,960 ° F) para convertirlo en un sólido [25] mientras se requiere una presión de aproximadamente 115 kbar a temperatura ambiente. [27] Los gases nobles hasta el xenón tienen múltiples isótopos estables . El radón no tiene isótopos estables ; su isótopo de vida más larga, 222 Rn , tiene una vida media de 3.8 días y se desintegra para formar helio y polonio, que finalmente se descompone en plomo . [10] Los puntos de fusión y ebullición aumentan al bajar del grupo.

Este es un gráfico del potencial de ionización frente al número atómico. Los gases nobles, que están etiquetados, tienen el mayor potencial de ionización para cada período.

Los átomos de gas noble, como los átomos en la mayoría de los grupos, aumentan constantemente en radio atómico de un período al siguiente debido al creciente número de electrones. El tamaño del átomo está relacionado con varias propiedades. Por ejemplo, el potencial de ionización disminuye con un radio creciente porque los electrones de valencia en los gases nobles más grandes están más lejos del núcleo y, por lo tanto, el átomo no los mantiene tan unidos. Los gases nobles tienen el mayor potencial de ionización entre los elementos de cada período, lo que refleja la estabilidad de su configuración electrónica y está relacionado con su relativa falta de reactividad química. [20]Sin embargo, algunos de los gases nobles más pesados ​​tienen potenciales de ionización lo suficientemente pequeños como para ser comparables a los de otros elementos y moléculas . Fue la idea de que el xenón tiene un potencial de ionización similar al de la molécula de oxígeno lo que llevó a Bartlett a intentar oxidar el xenón utilizando hexafluoruro de platino , un agente oxidante que se sabe que es lo suficientemente fuerte como para reaccionar con el oxígeno. [14] Los gases nobles no pueden aceptar un electrón para formar aniones estables ; es decir, tienen una afinidad electrónica negativa . [28]

Las propiedades físicas macroscópicas de los gases nobles están dominadas por las débiles fuerzas de van der Waals entre los átomos. La fuerza de atracción aumenta con el tamaño del átomo como resultado del aumento de la polarización y la disminución del potencial de ionización. Esto da como resultado tendencias grupales sistemáticas: a medida que uno desciende del grupo 18, el radio atómico y con él las fuerzas interatómicas aumentan, lo que da como resultado un aumento del punto de fusión, el punto de ebullición, la entalpía de vaporización y la solubilidad . El aumento de densidad se debe al aumento de masa atómica . [20]

Los gases nobles son gases casi ideales en condiciones estándar, pero sus desviaciones de la ley de los gases ideales proporcionaron pistas importantes para el estudio de las interacciones intermoleculares . El potencial de Lennard-Jones , que a menudo se utiliza para modelar interacciones intermoleculares, fue deducido en 1924 por John Lennard-Jones a partir de datos experimentales sobre el argón antes de que el desarrollo de la mecánica cuántica proporcionara las herramientas para comprender las fuerzas intermoleculares a partir de los primeros principios . [29]El análisis teórico de estas interacciones se volvió manejable porque los gases nobles son monoatómicos y los átomos esféricos, lo que significa que la interacción entre los átomos es independiente de la dirección o isotrópica .

Propiedades químicas

El neón, como todos los gases nobles, tiene una capa de valencia completa . Los gases nobles tienen ocho electrones en su capa más externa, excepto en el caso del helio, que tiene dos.

Los gases nobles son incoloros, inodoros, insípidos y no inflamables en condiciones estándar. [30] Una vez fueron etiquetados como grupo 0 en la tabla periódica porque se creía que tenían una valencia de cero, lo que significa que sus átomos no pueden combinarse con los de otros elementos para formar compuestos . Sin embargo, más tarde se descubrió que algunos sí forman compuestos, lo que hace que esta etiqueta caiga en desuso. [10]

Configuración electronica

Más información: configuración de gas noble

Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones en su configuración electrónica , especialmente las capas más externas, lo que resulta en tendencias en el comportamiento químico:

ZElementoNo. de electrones / capa
2helio2
10neón2, 8
18argón2, 8, 8
36criptón2, 8, 18, 8
54xenón2, 8, 18, 18, 8
86radón2, 8, 18, 32, 18, 8
118Oganesson2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (predicho)

Los gases nobles tienen capas completas de electrones de valencia . Los electrones de valencia son los electrones más externos de un átomo y normalmente son los únicos electrones que participan en el enlace químico . Los átomos con capas de electrones de valencia completa son extremadamente estables y, por lo tanto, no tienden a formar enlaces químicos y tienen poca tendencia a ganar o perder electrones. [31] Sin embargo, los gases nobles más pesados ​​como el radón se mantienen unidos con menos firmeza por la fuerza electromagnética que los gases nobles más ligeros como el helio, lo que facilita la eliminación de los electrones externos de los gases nobles pesados.

Como resultado de una capa completa, los gases nobles se pueden usar junto con la notación de configuración electrónica para formar la notación de gas noble . Para hacer esto, primero se escribe el gas noble más cercano que precede al elemento en cuestión, y luego se continúa la configuración electrónica desde ese punto en adelante. Por ejemplo, la notación electrónica del fósforo es 1s 2  2s 2  2p 6  3s 2  3p 3 , mientras que la notación de gas noble es [Ne] 3s 2  3p 3 . Esta notación más compacta facilita la identificación de elementos y es más corta que escribir la notación completa de los orbitales atómicos.. [32]

Los gases nobles cruzan la frontera entre bloques —el helio es un elemento s mientras que el resto de miembros son elementos p— lo cual es inusual entre los grupos IUPAC. La mayoría, si no todos [33] otros grupos IUPAC contienen elementos de un bloque cada uno.

Compuestos

Artículo principal: compuesto de gas noble
Estructura de XeF
4, uno de los primeros compuestos de gases nobles que se descubrió

Los gases nobles muestran una reactividad química extremadamente baja ; en consecuencia, solo se han formado unos pocos cientos de compuestos de gases nobles . No se han formado compuestos neutros en los que el helio y el neón están involucrados en enlaces químicos (aunque existen algunos iones que contienen helio y hay alguna evidencia teórica de algunos que contienen helio neutro), mientras que el xenón, el criptón y el argón solo se han mostrado reactividad menor. [34] La reactividad sigue el orden Ne <He <Ar <Kr <Xe <Rn ≪ Og.

En 1933, Linus Pauling predijo que los gases nobles más pesados ​​podrían formar compuestos con flúor y oxígeno. Predijo la existencia de hexafluoruro de criptón ( KrF
6) y hexafluoruro de xenón ( XeF
6), especuló que XeF
8podría existir como un compuesto inestable, y sugirió que el ácido xénico podría formar sales de perxenato . [35] [36] Estas predicciones demostraron ser precisas en general, excepto que XeF
8ahora se cree que es termodinámicamente y cinéticamente inestable. [37]

Los compuestos de xenón son los más numerosos de los compuestos de gases nobles que se han formado. [38] La mayoría de ellos tienen el átomo de xenón en el estado de oxidación de +2, +4, +6 o +8 unido a átomos altamente electronegativos como el flúor o el oxígeno, como en el difluoruro de xenón ( XeF
2), tetrafluoruro de xenón ( XeF
4), hexafluoruro de xenón ( XeF
6), tetróxido de xenón ( XeO
4) y perxenato de sodio ( Na
4XeO
6). El xenón reacciona con el flúor para formar numerosos fluoruros de xenón de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

Xe + F 2 → XeF 2
Xe + 2F 2 → XeF 4
Xe + 3F 2 → XeF 6

Algunos de estos compuestos han encontrado uso en síntesis química como agentes oxidantes ; XeF
2, en particular, está disponible comercialmente y puede usarse como agente fluorante . [39] En 2007, se han identificado alrededor de quinientos compuestos de xenón unidos a otros elementos, incluidos compuestos de organoxenón (que contienen xenón unido a carbono) y xenón unido a nitrógeno, cloro, oro, mercurio y el propio xenón. [34] [40] También se han observado compuestos de xenón unidos a boro, hidrógeno, bromo, yodo, berilio, azufre, titanio, cobre y plata, pero solo a bajas temperaturas en matrices de gases nobles o en chorros supersónicos de gases nobles. [34]

El radón es más reactivo que el xenón y forma enlaces químicos más fácilmente que el xenón. Sin embargo, debido a la alta radiactividad y la corta vida media de los isótopos del radón , en la práctica sólo se han formado unos pocos fluoruros y óxidos de radón. [41] El radón se inclina más hacia el comportamiento metálico que el xenón; el difluoruro RnF 2 es altamente iónico y el Rn 2+ catiónico se forma en soluciones de fluoruro de halógeno. Por esta razón, el impedimento cinético dificulta la oxidación del radón más allá del estado +2. Solo los experimentos con trazadores parecen haber tenido éxito en hacerlo, probablemente formando RnF 4 , RnF 6 y RnO 3 . [42][43] [44]

El criptón es menos reactivo que el xenón, pero se han informado varios compuestos con criptón en el estado de oxidación de +2. [34] El difluoruro de criptón es el más notable y el más fácil de caracterizar. En condiciones extremas, el criptón reacciona con el flúor para formar KrF 2 de acuerdo con la siguiente ecuación:

Kr + F 2 → KrF 2

Los compuestos en los que el criptón forma un enlace sencillo con el nitrógeno y el oxígeno también se han caracterizado, [45] pero solo son estables por debajo de -60 ° C (-76 ° F) y -90 ° C (-130 ° F) respectivamente. [34]

También se han observado átomos de criptón unidos químicamente a otros no metales (hidrógeno, cloro, carbono), así como a algunos metales de transición tardía (cobre, plata, oro), pero solo a bajas temperaturas en matrices de gases nobles o en chorros supersónicos de gases nobles. . [34] Se utilizaron condiciones similares para obtener los primeros compuestos de argón en 2000, como el fluorohidruro de argón (HArF), y algunos unidos a los metales de transición tardíos cobre, plata y oro. [34] En 2007, no se conocen moléculas neutras estables que involucren helio o neón unidos covalentemente. [34]

La extrapolación de las tendencias periódicas predice que el oganesson debería ser el más reactivo de los gases nobles; Los tratamientos teóricos más sofisticados indican una mayor reactividad de lo que sugieren tales extrapolaciones, hasta el punto de que se ha cuestionado la aplicabilidad del descriptor "gas noble". [46] Se espera que Oganesson sea más bien como el silicio o el estaño en el grupo 14: [47] un elemento reactivo con un +4 común y un estado +2 menos común, [48] [49] que a temperatura y presión ambiente no es un gas sino más bien un semiconductor sólido. Se requerirán pruebas empíricas / experimentales para validar estas predicciones. [21] [50]

Los gases nobles, incluido el helio, pueden formar iones moleculares estables en la fase gaseosa. El más simple es el ion molecular de hidruro de helio , HeH + , descubierto en 1925. [51] Debido a que está compuesto por los dos elementos más abundantes en el universo, hidrógeno y helio, se cree que ocurre naturalmente en el medio interestelar , aunque aún no se ha detectado. [52] Además de estos iones, existen muchos excímeros neutros conocidos de los gases nobles. Estos son compuestos como ArF y KrF que son estables solo cuando están en un estado electrónico excitado ; algunos de ellos encuentran aplicación en láseres excimer .

Además de los compuestos en los que un átomo de gas noble está involucrado en un enlace covalente , los gases nobles también forman compuestos no covalentes . Los clatratos , descritos por primera vez en 1949, [53] consisten en un átomo de gas noble atrapado dentro de cavidades de redes cristalinas de ciertas sustancias orgánicas e inorgánicas. La condición esencial para su formación es que los átomos huéspedes (gas noble) deben tener el tamaño apropiado para caber en las cavidades de la red cristalina huésped. Por ejemplo, el argón, el criptón y el xenón forman clatratos con hidroquinona , pero el helio y el neón no lo hacen porque son demasiado pequeños o insuficientemente polarizables para ser retenidos. [54]El neón, el argón, el criptón y el xenón también forman hidratos de clatrato, donde el gas noble queda atrapado en el hielo. [55]

Un compuesto de fullereno endoédrico que contiene un átomo de gas noble.

Los gases nobles pueden formar compuestos de fullereno endoédrico , en los que el átomo de gas noble queda atrapado dentro de una molécula de fullereno . En 1993, se descubrió que cuando C
60, una molécula esférica que consta de 60   átomos de carbono , está expuesta a gases nobles a alta presión, complejos como He @ C
60se puede formar (la notación @ indica que está contenido dentro de C
60pero no unido covalentemente a él). [56] A partir de 2008, se han creado complejos endoédricos con helio, neón, argón, criptón y xenón. [57] Estos compuestos han encontrado uso en el estudio de la estructura y reactividad de los fullerenos por medio de la resonancia magnética nuclear del átomo de gas noble. [58]

Vinculación en XeF
2 según el modelo de enlace 3-center-4-electron

Los compuestos de gases nobles como el difluoruro de xenón ( XeF
2) se consideran hipervalentes porque violan la regla del octeto . La unión en tales compuestos se puede explicar usando un modelo de enlace de cuatro electrones de tres centros . [59] [60] Este modelo, propuesto por primera vez en 1951, considera la unión de tres átomos colineales. Por ejemplo, la vinculación en XeF
2se describe mediante un conjunto de tres orbitales moleculares (MO) derivados de los orbitales p en cada átomo. El enlace resulta de la combinación de un orbital p lleno de Xe con un orbital p medio lleno de cada átomo de F , lo que da como resultado un orbital enlazante lleno, un orbital no enlazante lleno y un orbital antienlazante vacío . El orbital molecular más alto ocupado se localiza en los dos átomos terminales. Esto representa una localización de la carga que se ve facilitada por la alta electronegatividad del flúor. [61]

La química de los gases nobles más pesados, el criptón y el xenón, está bien establecida. La química de los más ligeros, argón y helio, aún se encuentra en una etapa temprana, mientras que aún no se ha identificado un compuesto de neón.

Ocurrencia y producción

La abundancia de gases nobles en el universo disminuye a medida que aumenta su número atómico . El helio es el elemento más común en el universo después del hidrógeno, con una fracción de masa de aproximadamente el 24%. La mayor parte del helio en el universo se formó durante la nucleosíntesis del Big Bang , pero la cantidad de helio aumenta constantemente debido a la fusión del hidrógeno en la nucleosíntesis estelar (y, en un grado muy leve, a la desintegración alfa de los elementos pesados). [62] [63] La abundancia en la Tierra sigue diferentes tendencias; por ejemplo, el helio es solo el tercer gas noble más abundante en la atmósfera. La razn es que no hay primordialhelio en la atmósfera; debido a la pequeña masa del átomo, el campo gravitacional de la Tierra no puede retener el helio . [64] El helio en la Tierra proviene de la desintegración alfa de elementos pesados ​​como el uranio y el torio que se encuentran en la corteza terrestre y tiende a acumularse en los depósitos de gas natural . [64] La abundancia de argón, por otro lado, aumenta como resultado de la desintegración beta del potasio-40 , que también se encuentra en la corteza terrestre, para formar argón-40 , que es el isótopo de argón más abundante en la Tierra. a pesar de ser relativamente raro en elSistema Solar . Este proceso es la base del método de datación por potasio-argón . [65] El xenón tiene una abundancia inesperadamente baja en la atmósfera, en lo que se ha llamado el problema del xenón faltante ; una teoría es que el xenón faltante puede estar atrapado en minerales dentro de la corteza terrestre. [66] Después del descubrimiento del dióxido de xenón , la investigación mostró que Xe puede sustituir al Si en el cuarzo . [67] El radón se forma en la litosfera por la desintegración alfa.de radio. Puede filtrarse en los edificios a través de grietas en sus cimientos y acumularse en áreas que no están bien ventiladas. Debido a su alta radiactividad, el radón presenta un riesgo importante para la salud; está implicado en aproximadamente 21.000 muertes por cáncer de pulmón por año solo en los Estados Unidos. [68] Oganesson no ocurre en la naturaleza y, en cambio, es creado manualmente por científicos.

AbundanciaHelioNeónArgónCriptónXenónRadón
Sistema Solar (por cada átomo de silicio) [69]23432.1480.10255.515 × 10 −55.391 × 10 −6-
Atmósfera terrestre (fracción de volumen en ppm ) [70]5,2018.209340,001,100,09(0,06-18) × 10 -19 [71]
Roca ígnea (fracción de masa en ppm) [20]3 × 10 −37 × 10 −54 × 10 −2--1,7 × 10 −10
GasPrecio de 2004 ( USD / m 3 ) [72]
Helio (grado industrial)4.20–4.90
Helio (grado de laboratorio)22.30–44.90
Argón2,70–8,50
Neón60-120
Criptón400–500
Xenón4000–5000

Para un uso a gran escala, el helio se extrae mediante destilación fraccionada del gas natural, que puede contener hasta un 7% de helio. [73]

El neón, el argón, el criptón y el xenón se obtienen del aire utilizando los métodos de licuefacción de gases , para convertir los elementos a un estado líquido, y destilación fraccionada , para separar mezclas en partes componentes. El helio se produce típicamente separándolo del gas natural y el radón se aísla de la desintegración radiactiva de los compuestos de radio. [10] Los precios de los gases nobles están influenciados por su abundancia natural, siendo el argón el más barato y el xenón el más caro. Como ejemplo, la tabla adyacente enumera los precios de 2004 en los Estados Unidos para las cantidades de laboratorio de cada gas.

Aplicaciones

El helio líquido se utiliza para enfriar imanes superconductores en escáneres de resonancia magnética modernos

Los gases nobles tienen puntos de ebullición y fusión muy bajos, lo que los hace útiles como refrigerantes criogénicos . [74] En particular, el helio líquido , que hierve a 4,2 K (-268,95 ° C; -452,11 ° F), se utiliza para imanes superconductores , como los necesarios en la resonancia magnética nuclear y la resonancia magnética nuclear . [75] El neón líquido, aunque no alcanza temperaturas tan bajas como el helio líquido, también encuentra uso en criogénicos porque tiene más de 40 veces más capacidad de refrigeración que el helio líquido y más de tres veces más que el hidrógeno líquido. [71]

El helio se utiliza como componente de los gases respiratorios para reemplazar el nitrógeno, debido a su baja solubilidad en fluidos, especialmente en lípidos . Los gases son absorbidos por la sangre y los tejidos corporales cuando están bajo presión, como en el buceo , lo que provoca un efecto anestésico conocido como narcosis por nitrógeno . [76] Debido a su reducida solubilidad, poco helio entra en las membranas celulares , y cuando se usa helio para reemplazar parte de las mezclas respiratorias, como en trimix o heliox , se obtiene una disminución en el efecto narcótico del gas en profundidad. .[77] La solubilidad reducida del helio ofrece más ventajas para la condición conocida como enfermedad por descompresión o las curvas . [10] [78] La cantidad reducida de gas disuelto en el cuerpo significa que se forman menos burbujas de gas durante la disminución de la presión del ascenso. Otro gas noble, el argón, se considera la mejor opción para su uso comogas de inflado de trajes secos para el buceo. [79] El helio también se utiliza como gas de relleno en barras de combustible nuclear para reactores nucleares. [80]

Dirigible de Goodyear

Desde el desastre de Hindenburg en 1937, [81] el helio ha reemplazado al hidrógeno como gas de elevación en dirigibles y globos debido a su ligereza e incombustibilidad, a pesar de una disminución del 8,6% [82] en la flotabilidad. [10]

En muchas aplicaciones, los gases nobles se utilizan para proporcionar una atmósfera inerte. El argón se utiliza en la síntesis de compuestos sensibles al aire que son sensibles al nitrógeno. El argón sólido también se utiliza para el estudio de compuestos muy inestables, como los intermedios reactivos , atrapándolos en una matriz inerte a temperaturas muy bajas. [83] El helio se utiliza como medio portador en la cromatografía de gases , como gas de relleno para termómetros y en dispositivos para medir la radiación, como el contador Geiger y la cámara de burbujas . [72] El helio y el argón se utilizan comúnmente para proteger los arcos de soldadura.y el metal base circundante de la atmósfera durante la soldadura y el corte, así como en otros procesos metalúrgicos y en la producción de silicio para la industria de semiconductores. [71]

Lámpara de arco corto de xenón de 15.000 vatios utilizada en proyectores IMAX

Los gases nobles se utilizan comúnmente en iluminación debido a su falta de reactividad química. El argón, mezclado con nitrógeno, se utiliza como gas de relleno para bombillas incandescentes . [71] El criptón se usa en bombillas de alto rendimiento, que tienen temperaturas de color más altas y mayor eficiencia, porque reduce la tasa de evaporación del filamento más que el argón; Las lámparas halógenas , en particular, utilizan criptón mezclado con pequeñas cantidades de compuestos de yodo o bromo . [71] Los gases nobles brillan en colores distintivos cuando se utilizan dentro de lámparas de descarga de gas , como " luces de neónEstas luces reciben el nombre de neón, pero a menudo contienen otros gases y fósforos , que agregan varios matices al color rojo anaranjado del neón. El xenón se usa comúnmente en las lámparas de arco de xenón que, debido a su espectro casi continuo que se asemeja a la luz del día, encuentran aplicación en proyectores de películas y como faros de automóviles. [71]

Los gases nobles se utilizan en láseres excímeros , que se basan en moléculas excitadas electrónicamente de corta duración conocidas como excímeros . Los excímeros utilizados para los láseres pueden ser dímeros de gas noble como Ar 2 , Kr 2 o Xe 2 , o más comúnmente, el gas noble se combina con un halógeno en excímeros como ArF, KrF, XeF o XeCl. Estos láseres producen luz ultravioleta que, debido a su longitud de onda corta (193 nm para ArF y 248 nm para KrF), permite obtener imágenes de alta precisión. Los láseres excímeros tienen muchas aplicaciones industriales, médicas y científicas. Se utilizan para microlitografía y microfabricación., que son esenciales para la fabricación de circuitos integrados y para la cirugía con láser , incluidas la angioplastia con láser y la cirugía ocular . [84]

Algunos gases nobles tienen aplicación directa en medicina. En ocasiones, el helio se utiliza para mejorar la respiración de las personas que padecen asma . [71] El xenón se utiliza como anestésico debido a su alta solubilidad en lípidos, lo que lo hace más potente que el óxido nitroso habitual , y porque se elimina fácilmente del cuerpo, lo que resulta en una recuperación más rápida. [85] El xenón encuentra aplicación en la obtención de imágenes médicas de los pulmones mediante resonancia magnética hiperpolarizada. [86] El radón, que es altamente radiactivo y solo está disponible en cantidades mínimas, se usa en radioterapia . [10]

Los gases nobles, en particular el xenón, se utilizan predominantemente en motores de iones debido a su inercia. Dado que los motores de iones no son impulsados ​​por reacciones químicas, se desean combustibles químicamente inertes para evitar reacciones no deseadas entre el combustible y cualquier otra cosa en el motor.

Oganesson es demasiado inestable para trabajar con él y no tiene otra aplicación conocida que no sea la investigación.

Color de descarga

Colores y espectros (fila inferior) de descargas eléctricas en gases nobles; solo la segunda fila representa gases puros.
HelioNeónArgónCriptónXenón

El color de la emisión de la descarga de gas depende de varios factores, entre ellos los siguientes: [87]

  • parámetros de descarga (valor local de densidad de corriente y campo eléctrico , temperatura, etc. - observe la variación de color a lo largo de la descarga en la fila superior);
  • pureza del gas (incluso una pequeña fracción de ciertos gases puede afectar el color);
  • material de la envoltura del tubo de descarga: observe la supresión de los componentes azul y UV en los tubos de la fila inferior hechos de vidrio doméstico grueso.

Ver también

  • Gas noble (página de datos) , para tablas ampliadas de propiedades físicas.
  • Metal noble , para metales resistentes a la corrosión u oxidación.
  • Gas inerte , para cualquier gas que no sea reactivo en circunstancias normales.
  • Gas industrial
  • Neutronio
  • Regla del octeto

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Referencias

Recursos de la biblioteca sobre
gas noble
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