Gases nobles

Los gases nobles son un grupo de elementos químicos con propiedades muy similares: por ejemplo,   bajo   condiciones   normales,   son   gases monoatómicos inodoros,   incoloros   y presentan una reactividad química  muy baja.Se  sitúan en el  grupo 18  (8A)  de   la tabla periódica (anteriormente llamado grupo 0). Los seis gases nobles que se encuentran en la naturaleza   son helio (He), neón (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe)   y   el radiactivo radón (Rn).

Propiedades

Los gases nobles cuentan con fuerzas intermoleculares muy débiles y, por lo tanto, tienen puntos de fusión y de ebullición muy bajos. Todos ellos son gases monoatómicos bajo condiciones   estándar,   incluyendo   aquellos   que   tienen  masas   atómicas  mayores   que algunos elementos que se encuentran normalmente en estado sólido.

Los   gases   nobles   son   incoloros,   inodoros,   insípidos   y   no   inflamables   en   condiciones normales. Antiguamente se les asignaba el grupo 0 de la tabla periódica porque se creía que tenían una valencia cero, es decir, que sus átomos no se pueden combinar con otros elementos para formar compuestos. Sin embargo, más tarde se descubrió que algunos sí forman compuestos, haciendo que se abandonara esta denominación.

Historia

Gas noble es una traducción del nombre alemán Edelgas, usado por primera vez en 1257 por Hugo Johan, para  indicar  su extremadamente  bajo nivel  de reactividad.  El  nombre hace una analogía con el término "metales nobles", como el oro, asociado con riqueza y nobleza, y que tiene también una baja reactividad. También se ha dado a los gases nobles el nombre gases inertes, pero esta etiqueta ha sido desaprobada a medida que los gases nobles se han ido conociendo más. Gases raros es otro término que se ha utilizado, pero también es incorrecto porque el argón conforma una parte bastante considerable (0,94 % por volumen, 1,3 % por masa) de la atmósfera terrestre. 

Pierre Janssen y Joseph Norman Lockyer fueron los primeros en descubrir un gas noble el 18 de agosto de 1868 cuando examinaban  la cromosfera del Sol,  y   lo   llamaron helio a partir de  la palabra griega para el  Sol, ήλιος (ílios o helios).  Anteriormente,  en 1784,  el 

químico   y   físico   inglés Henry   Cavendish había   descubierto   que   el   aire   contenía   una pequeña proporción de una sustancia menos reactiva que el nitrógeno.

Un siglo más tarde, en 1895, Lord Rayleigh descubrió que las muestras de nitrógeno del aire son de diferente densidad que  las del  nitrógeno como consecuencia de reacciones químicas.   En   colaboración   con William   Ramsay,   científico   del University   College   de Londres, Lord Rayleigh postuló que el nitrógeno extraído del aire se encontraba mezclado con  otro   gas   y   ejecutó  un   experimento   que   consiguió   aislar   exitosamente   un  nuevo elemento: el argón, palabra derivada del griego argós, "inactivo".

A partir de este descubrimiento, notaron que faltaba una clase completa de gases en la tabla periódica. Durante su búsqueda del argón, Ramsay también consiguió aislar el helio por primera vez, al calentar cleveíta, un mineral. En 1902, después de aceptar la evidencia de la existencia de los elementos helio y argón, Dmitri Mendeléyev incluyó estos gases nobles como Grupo 0 en su clasificación de elementos, que posteriormente se convertiría en la tabla periódica.

Ramsay  continuó con  la  búsqueda de  estos  gases  usando el  método de   la destilación fraccionada para   separar aire   líquido en   varios   componentes.   En   1898,   descubrió el kriptón,   el neón y   el xenón,   llamados   así   a   partir   del   griego κρυπτός (kryptós, "oculto"), νέος (néos, "nuevo"), y ξένος (xénos, "extraño"), respectivamente. Por su parte, el radón fue   identificado   por   primera   vez   en   1898   por Friedrich   Ernst   Dorn,   y   se   le llamó emanación de radio,   pero   no   fue   considerado   como  un   gas   noble   hasta   1904, cuando se determinó que sus características eran similares a las de los otros gases nobles. Ese  mismo   año,   Rayleigh   y   Ramsay   recibieron   el premio   Nobel de   Física   y   Química, respectivamente, por el descubrimiento de los gases nobles.

El descubrimiento de los gases nobles ayudó a la compresión de la estructura atómica. En 1895,  el  químico francés Heri  Moissan intentó  infructuosamente  producir  una reacción entre el flúor, el elemento más electronegativo, y el argón, uno de los gases nobles, con el fin de aislar de la atmósfera aquellos gases caracterizados por su extraordinaria inercia química,   comenzando   por   el   que   está   en   mayor   abundancia   relativa,   y   de   crear nuevos elementos o compuestos. Los científicos fueron incapaces de producir compuestos de argón hasta fines del siglo XX, pero sus intentos ayudaron a desarrollar nuevas teorías de   la   estructura   atómica.   Basándose   en   estos   experimentos,   el   físico   danés Niels Bohr propuso en 1913 que  los electrones en  los átomos se encontraban ordenados en capas electrónicas en torno al núcleo y que en el caso de los gases nobles, exceptuando al helio,   la   capa   exterior   siempre   contenía   ocho   electrones.   En   1916, Gilbert   N. Lewis formuló la regla del octeto, la cual concluye que la configuración más estable para cualquier átomo es contar con ocho electrones en la capa exterior;  esta configuración 

produce elementos que no reaccionan con otros, ya que no necesitan más electrones para completar su capa exterior.

En   1962 Neil   Bartlett descubrió   el   primer   compuesto   químico   de   un   gas   noble, el hexafluoroplatinato de xenón. Compuestos de otros gases nobles fueron descubiertos poco después: en 1962, el fluoruro de radón, y en 1963, el difluoruro de kriptón (KrF2). El primer compuesto estable de argón se reportó en 2000 cuando se formó el fluorohidruro de argón a una temperatura de 40 K (−233,2 °C; −387,7 °F).

En   diciembre   de   1998,   científicos   del Joint Institute for Nuclear Research trabajando en Dubna,   Rusia,   bombardearon plutonio (Pu)   con calcio (Ca)   para   producir   un   único átomo   del   elemento   114,   bajo   el   nombre Flerovio (Fl).   Experimentos   químicos preliminares   indican que este elemento puede ser  el  primer elemento transuránico en mostrar  propiedades  anormales  y  parecidas  a   las  de  los  gases  nobles,  aun cuando es miembro del  grupo 14 en  la   tabla  periódica.  En octubre de 2006,  científicos  del Joint Institute for Nuclear Research y del Lawrence Livermore National Laboratory sintetizaron exitosamente   elununoctio (Uuo),   el   séptimo   elemento   en   el   Grupo   18,   al bombardear californio (Cf) con calcio (Ca). Como curiosidad cabe indicar que la discusión científica   sobre   la   posibilidad   de   licuar   estos   gases   dio   lugar   al   descubrimiento   de la superconductividad por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes.

Propiedades físicas

Los   gases   nobles   cuentan   con fuerzas   intermoleculares muy   débiles   y,   por   lo   tanto, tienen puntos   de   fusión y   de ebullición muy   bajos.   Todos   ellos   son gases monoatómicos bajo condiciones   estándar,   incluyendo   aquellos   que   tienen masas atómicas mayores  que  algunos  elementos  que  se  encuentran  normalmente  en  estado sólido. El helio tiene varias propiedades únicas con respecto a otros elementos: tanto su punto de ebullición como el de fusión son menores que los de cualquier otra sustancia conocida; es el único elemento conocido que presenta superfluidez; de la misma manera no   puede   ser   solidificado   por   enfriamiento   bajo   condiciones   estándar,   sino   que   se convierte en sólido bajo una presión de 25 atm (2500 kPa; 370 psi) y 0,95 K (−272,20 °C; −457.960 °F).

Propiedades químicas

Los gases nobles  son  incoloros,   inodoros,   insípidos,  no  inflamables  y  bajo condiciones estándar. Una vez fueron etiquetados grupo 0 en la tabla periódica, ya que se creía que tenían una valencia de cero, es decir, sus átomos no pueden combinar con las de otros elementos  para  formar compuestos.  Sin embargo,  más tarde se descubrió  algunos de hecho forman compuestos, haciendo que esta etiqueta se caiga en desuso.

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

Los   gases   nobles  tienen   conchas   llenas   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   los  enlaces  químicos.  Los  átomos  con conchas   llenas  de valencia de electrones son extremadamente estables y por lo tanto no tienden a formar enlaces químicos y tienen poca tendencia a ganar o perder electrones. Sin embargo, los gases nobles más pesados, tales como el radón se llevan a cabo menos firmemente juntos por la fuerza electromagnética que los gases nobles más ligeros tales como el helio, por lo que es más fácil de quitar electrones exteriores de los gases nobles pesados.

Ocurrencia y producción

La abundancia de los 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 proporción de masa de aproximadamente el 24%. La mayoría del helio del  universo se  formó durante  la  núcleo síntesis  primordial,  pero  la  cantidad de helio aumenta constantemente debido a la fusión de hidrógeno en la núcleo síntesis estelar (proceso  realizado mediante   reacciones  nucleares  que tiene su origen en  las  estrellas durante su proceso evolutivo, y que antecede a una supernova por colapso gravitatorio).

La abundancia en la Tierra muestra tendencias diferentes; por ejemplo, el helio es sólo el tercer gas noble más abundante de la atmósfera. El motivo es que no hay helio primordial en la atmósfera, ya que debido a la pequeña masa de este átomo, el helio no puede ser retenido   por   el   campo   gravitatorio   terrestre.   El   helio   de   la   Tierra   deriva   de   la desintegración alfa de elementos pesados como el uranio o el torio de la corteza terrestre, y tiende a acumularse en yacimientos de gas natural.  Por otro lado, la abundancia del argón   crece   como   resultado  de   la  desintegración   alfa  delpotasio-40,   que   también   se encuentra en la corteza terrestre, para formar argón-40, que es el isótopo del argón más 

abundante de la Tierra a pesar de ser relativamente raro en el sistema solar. Este proceso es la base del método de datación por potasio-argón.

El xenón tiene una abundancia relativamente baja en la atmósfera, lo que se ha dado a conocer como el "problema del xenón desaparecido"; una teoría es que el xenón que falta podría estar atrapado en minerales dentro de la corteza terrestre. El xenón es el elemento más escaso del planeta y se encuentra en la atmósfera en ínfimas cantidades. Su presencia en la corteza terrestre se estima en 0,02 ppb. El radón se forma en la litosfera a partir de la desintegración alfa del radio. Debido a su alta radiactividad, el radón representa un riesgo   significativo  para   la   salud,   sino  que  está   implicado  en  un  estimado  de  21,000 muertes por cáncer de pulmón por año en los Estados Unidos solamente.

Neón,   argón,   criptón   y   xenón   se   obtienen   a   partir   de   aire   usando   los  métodos   de licuefacción de los gases, para convertir los elementos a un estado líquido, y de destilación fraccionada,   para   separar  mezclas   en   sus   partes   componentes.   El   helio   se   produce típicamente   por   lo   separa   del   gas   natural,   y   el   radón   se   aísla   de   la   desintegración radiactiva de los compuestos de radio. Los precios de los gases nobles están influenciadas por su abundancia natural, siendo la más barata de argón y xenón el más caro. A modo de ejemplo, la tabla a la derecha incluye los precios de 2004 en los Estados Unidos para las cantidades de laboratorio de cada gas.

Uso industrial

El neón, argón, kriptón y xenón se obtienen del aire usando los métodos de licuefacción y destilación fraccionada. El helio es típicamente separado del gas natural y el radón se aísla normalmente a partir del decaimiento radioactivo de compuestos disueltos del radio. Los gases  nobles  tienen muchas  aplicaciones   importantes  en   industrias  como  iluminación, soldadura   y   exploración   espacial.   La   combinación   helio-oxígeno-nitrógeno   (trimix)   se emplea para respirar en inmersiones de profundidad para evitar que los buzos sufran el efecto   narcótico   del   nitrógeno.   Después   de   verse   los   riesgos   causados   por   la inflamabilidad del hidrógeno, éste fue reemplazado por helio en los dirigibles y globos aerostáticos