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8.14.2: Propiedades de los Gases Nobel

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    Los gases nobles (Grupo 18) se encuentran en el extremo derecho de la tabla periódica y anteriormente se los denominaban “gases inertes” debido a que sus conchas de valencia llenas (octetos) los hacen extremadamente no reactivos. Los gases nobles se caracterizaron relativamente tarde en comparación con otros grupos de elementos.

    La Historia

    La primera persona en descubrir los gases nobles fue Henry Cavendish a finales del siglo 180. Cavendish distinguió estos elementos al eliminar químicamente todo el oxígeno y nitrógeno de un contenedor de aire. El nitrógeno fue oxidado\(NO_2\) por descargas eléctricas y absorbido por una solución de hidróxido de sodio. El oxígeno restante se retiró luego de la mezcla con un absorbedor. El experimento reveló que 1/120 del volumen de gas permaneció sin reaccionar en el receptáculo. La segunda persona en aislarlos, pero no tipificarlos, fue William Francis (1855-1925). Francisco señaló la formación de gas mientras disolvía minerales de uranio en ácido.

    Argón

    En 1894, John William Strutt descubrió que el nitrógeno puro obtenido químicamente era menos denso que el nitrógeno aislado de las muestras de aire. A partir de este avance, concluyó que otro gas desconocido estaba presente en el aire. Con la ayuda de William Ramsay, Strutt logró replicar y modificar el experimento de Cavendish para comprender mejor el componente inerte del aire en su experimento original. El procedimiento de los investigadores difería del procedimiento de Cavendish: eliminaron el oxígeno haciéndole reaccionar con cobre, y eliminaron el nitrógeno en una reacción con magnesio. El gas restante se caracterizó adecuadamente y el nuevo elemento se denominó “argón”, que se origina en la palabra griega para “inerte”.

    Helio

    El helio se descubrió por primera vez en 1868, manifestándose en el espectro solar como una línea amarilla brillante con una longitud de onda de 587.49 nanómetros. Este descubrimiento fue realizado por Pierre Jansen. Jansen inicialmente asumió que era una línea de sodio. Sin embargo, estudios posteriores de Sir William Ramsay (quien aisló helio en la Tierra tratando una variedad de elementos raros con ácidos) confirmaron que la línea amarilla brillante de su experimento coincidía con la del espectro del sol. A partir de esto, el físico británico William Crookes identificó el elemento como helio.

    Neón, Criptón, Xenon

    Estos tres gases nobles fueron descubiertos por Morris W. Travers y Sir William Ramsay en 1898. Ramsay descubrió el neón enfriando una muestra del aire a una fase líquida, calentando el líquido y capturando los gases a medida que hierven. El kriptón y el xenón también fueron descubiertos a través de este proceso.

    Radón

    En 1900, mientras estudiaba la cadena de desintegración del radio, Friedrich Earn Dorn descubrió el último gas del Grupo 18: el radón. En sus experimentos, Dorn notó que los compuestos de radio emanaban gas radiactivo. Este gas fue nombrado originalmente niton en honor a la palabra latina para brillar, “nitens”. En 1923, el Comité Internacional de Elementos Químicos y la Unión Internacional de Química Pura Aplicada (IUPAC) decidieron nombrar al elemento radón. Todos los isótopos de radón son radiactivos. El radón-222 tiene la vida media más larga a menos de 4 días, y es un producto de desintegración alfa del Radio-226 (parte de la cadena de desintegración radiactiva U-238 a Pb-206).

    Las configuraciones de electrones para gases nobles

    • Helio 1s 2
    • Neón [Él] 2s 2 2p 6
    • Argón [Ne] 3s 2 3p 6
    • Criptón [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6
    • Xenon [Kr] 4d 10 5s 2 5p 6
    • Radón [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 6
    Cuadro 1: Tendencias dentro del Grupo 18
    Atomic # Masa atómica Punto de ebullición (K) Punto de fusión (K) 1ra ionización (E/kJ mol -1) Densidad (g/dm 3) Radio atómico (pm)
    Él 2 4.003 4.216 0.95 2372.3 0.1786 31
    Ne 10 20.18 27.1 24.7 2080.6 0.9002 38
    Ar 18 39.948 87.29 83.6 1520.4 1.7818 71
    Kr 36 83.3 120.85 115.8 1350.7 3.708 88
    Xe 54 131.29 166.1 161.7 1170.4 5.851 108
    Rn 86 222.1 211.5 202.2 1037.1 9.97 120

    Las propiedades atómicas y físicas

    • La masa atómica, el punto de ebullición y los radios atómicos AUMENTAN un grupo en la tabla periódica.
    • La primera energía de ionización disminuye en un grupo en la tabla periódica.
    • Los gases nobles tienen las mayores energías de ionización, reflejando su inercia química.
    • Abajo Grupo 18, el radio atómico y las fuerzas interatómicas AUMENTAN resultando en un aumento del punto de fusión, punto de ebullición, entalpía de vaporización y solubilidad.
    • El AUMENTO en la densidad del grupo se correlaciona con el AUMENTO de la masa atómica.
    • Debido a que los átomos AUMEN en tamaño atómico a lo largo del grupo, las nubes de electrones de estos átomos no polares se polarizan cada vez más, lo que conduce a fuerzas débiles de van Der Waals entre los átomos Así, la formación de líquidos y sólidos es más fácilmente alcanzable para estos elementos más pesados debido a sus puntos de fusión y ebullición.
    • Debido a que las cáscaras exteriores de los gases nobles están llenas, son extremadamente estables, tienden a no formar enlaces químicos y tienen una pequeña tendencia a ganar o perder electrones.
    • En condiciones estándar todos los miembros del grupo de los gases nobles se comportan de manera similar.
    • Todos son gases monotómicos en condiciones estándar.
    • Los átomos de gas noble, al igual que los átomos en otros grupos, AUMEN de manera constante en el radio atómico de un período al siguiente debido al creciente número de electrones.
    • El tamaño del átomo está correlacionado positivamente con varias propiedades de los gases nobles. El potencial de ionización disminuye con un radio creciente, debido a que los electrones de valencia en los gases nobles más grandes están más alejados del núcleo; por lo tanto, son retenidos menos apretados por el átomo.
    • La fuerza de atracción AUMENTA con el tamaño del átomo como resultado de un AUMENTO en la polarizabilidad y por lo tanto una DISMINUCIÓN en el potencial de ionización.
    • En general, los gases nobles tienen fuerzas interatómicas débiles y, por lo tanto, puntos de ebullición y fusión muy bajos comparados con elementos de otros grupos.

    Para los gases diatómicos y poliatómicos unidos covalentmente, la capacidad calorífica surge de posibles movimientos de traslación, rotación y vibración. Debido a que los gases monatómicos no tienen enlaces, no pueden absorber el calor como vibraciones de enlace. Debido a que el centro de masa de los gases monatómicos está en el núcleo del átomo, y la masa de los electrones es insignificante en comparación con el núcleo, la energía cinética debida a la rotación es insignificante en comparación con la energía cinética de traslación (a diferencia de las moléculas di- o poliatómicas donde la rotación de núcleos alrededor el centro de masa de la molécula contribuye significativamente a la capacidad calorífica). Por lo tanto, la energía interna por mol de un gas noble monatómico equivale a su contribución traslacional\(\frac{3}{2}RT\), donde\(R\) está la constante universal del gas y\(T\) es la temperatura absoluta.

    Para los gases monatómicos a una temperatura dada, la energía cinética promedio debida a la traslación es prácticamente igual independientemente del elemento. Por lo tanto, a una temperatura dada, cuanto más pesado es el átomo, más lentamente se mueven sus átomos gaseosos. La velocidad media de un gas monatómico disminuye con el aumento de la masa molecular, y dada la situación de capacidad calorífica simplificada, la conductividad térmica gaseosa noble disminuye con el aumento de la masa molecular.

    Aplicaciones de Gases Nobles

    Helio

    El helio se utiliza como componente de los gases respiratorios debido a su baja solubilidad en fluidos o lípidos. Esto es importante porque otros gases son absorbidos por la sangre y los tejidos corporales cuando están bajo presión durante el buceo. Debido a su reducida solubilidad, se introduce poco helio en las membranas celulares; cuando reemplaza parte de la mezcla respiratoria, el helio provoca una disminución en el efecto narcótico del gas a profundidades lejanas. La cantidad reducida de gas disuelto en el cuerpo significa que se forman menos burbujas de gas, disminuyendo la presión del ascenso. El helio y el argón se utilizan para proteger los arcos de soldadura y el metal base circundante de la atmósfera.

    El helio se utiliza en criogénicos de muy baja temperatura, particularmente para mantener superconductores (útiles para crear campos magnéticos fuertes) a temperaturas muy bajas. El helio es también el gas portador más común en la cromatografía de gases.

    Neón

    El neón tiene muchas aplicaciones comunes y familiares: luces de neón, luces antiniebla, cine-scopios de TV, láseres, detectores de voltaje, avisos luminosos y letreros publicitarios. La aplicación más popular del neón es el tubo de neón utilizado en publicidad y decoraciones elaboradas. Estos tubos se llenan de neón y helio o argón a baja presión y se someten a descargas eléctricas. El color de la luz emitida depende de la composición de la mezcla gaseosa y del color del vidrio del tubo. El Neón Puro dentro de un tubo incoloro absorbe la luz roja y refleja la luz azul, como se muestra en la siguiente figura. Esta luz reflejada se conoce como luz fluorescente.

    blue-neon-lights.jpg

    Uno de los muchos colores de las luces de neón.

    Argón

    El argón tiene una gran cantidad de aplicaciones en electrónica, iluminación, vidrio y fabricaciones metálicas. El argón se utiliza en la electrónica para proporcionar un medio de transferencia de calor protector para semiconductores de cristal de silicio ultrapuro y para el cultivo de germanio. El argón también puede llenar bombillas fluorescentes e incandescentes, creando la luz azul que se encuentra en las “lámparas de neón”. Al utilizar la baja conductividad térmica del argón, los fabricantes de ventanas proporcionan una barrera de gas necesaria para producir ventanas con aislamiento de doble panel. Esta barrera de aislamiento mejora la eficiencia energética de las ventanas. El argón también crea un blindaje de gas inerte durante la soldadura, elimina los metales fundidos para eliminar la porosidad en la fundición y proporciona un ambiente libre de oxígeno y nitrógeno para el recocido y laminado de metales y aleaciones.

    Luz de argón bulb.jpg

    Bombilla de plasma de argón.

    Krypton

    De manera similar al argón, el kriptón se puede encontrar en ventanas de eficiencia energética. Debido a su eficiencia térmica superior, el kriptón a veces se elige sobre el argón para el aislamiento. Se estima que el 30% de las ventanas energéticamente eficientes que se venden en Alemania e Inglaterra están llenas de kriptón; en estos países se utilizan aproximadamente 1.8 litros de kriptón. El kriptón también se encuentra en fuentes de combustible, láseres y faros. En los láseres, el kriptón funciona como un control para una longitud de onda óptica deseada. Por lo general, se mezcla con un halógeno (muy probablemente flúor) para producir láseres excímeros. Los faros de haz sellado halógeno que contienen kriptón producen hasta el doble de la salida de luz que los faros estándar. Además, Krypton se utiliza para bombillas de alto rendimiento, las cuales tienen temperaturas de color más altas y eficiencia debido a que el kriptón reduce la tasa de evaporación del filamento.

    kriptón laser.jpg

    Láser de Criptón.

    Xenon

    Xenon tiene diversas aplicaciones en iluminación incandescente, desarrollo de rayos X, paneles de pantalla de plasma (PDP) y más. La iluminación incandescente utiliza xenón porque se puede utilizar menos energía para obtener la misma salida de luz que una lámpara incandescente normal. El xenón también ha permitido obtener mejores rayos X con cantidades reducidas de radiación. Cuando se mezcla con oxígeno, puede mejorar el contraste en la tomografía computarizada. Estas aplicaciones han tenido un gran impacto en las industrias del cuidado de la salud. Los paneles de visualización de plasma (PDP) que utilizan xenón como uno de los gases de llenado pueden algún día reemplazar los tubos de imagen grandes en las pantallas de televisión y computadoras.

    Los productos de fisión nuclear pueden incluir varios isótopos radiactivos de xenón, que absorben neutrones en núcleos de reactores nucleares. La formación y eliminación de productos de desintegración radiactiva del xenón son factores en el control de reactores nucleares.

    Radón

    El radón se reporta como la segunda causa más frecuente de cáncer de pulmón, después del tabaquismo. Sin embargo, también tiene aplicaciones beneficiosas en radioterapia, tratamiento de artritis y baño. En radioterapia, el radón se ha utilizado en semillas implantables, hechas de vidrio u oro, principalmente utilizadas para tratar cánceres. Se ha dicho que la exposición al radón mitiga enfermedades autoinmunes como la artritis. Algunos enfermos de artritis han buscado una exposición limitada al agua radiactiva de la mina y al radón para aliviar su dolor. “Radon Spas” como Bad Gastern en Austria y Onsen en Japón ofrecen una terapia en la que la gente se sienta de minutos a horas en una atmósfera de alto radón, creyendo que bajas dosis de radiación aumentarán su energía.

    Enlaces externos

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