18.12: La ocurrencia, preparación y propiedades de los gases nobles
Habilidades para desarrollar
- Describir las propiedades, la preparación y los usos de los gases nobles.
Los elementos del grupo 18 son los gases nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón). Se ganaron el nombre de "nobles" porque se suponía que no eran reactivos porque tenían capas de valencia llenas. En 1962, el Dr. Neil Bartlett de la Universidad de Columbia Británica demostró que esta suposición no era correcta.
Estos elementos están presentes en la atmósfera en pequeñas cantidades. Parte del gas natural contiene 1 a 2% de helio en masa. El helio se aísla del gas natural por licuando los componentes condensables, dejando solo el helio como un gas. El Estados Unidos posee la mayor parte del suministro comercial mundial de este elemento en sus campos de gas que contienen helio. El argón, el neón, el criptón y el xenón provienen de la destilación fraccionada del aire líquido. El radón proviene de otros elementos radiactivos. Más recientemente, se observó que este gas radiactivo está presente en cantidades muy pequeñas en suelos y minerales. Sin embargo, su acumulación en edificios bien aislados y herméticamente sellados es un peligro para la salud, principalmente el cáncer de pulmón.
Los puntos de ebullición y los puntos de fusión de los gases nobles son extremadamente bajos en relación con los de otras sustancias de masas atómicas o moleculares comparables. Esto se debe a que solo hay fuerzas de dispersión de Londres débiles, y estas fuerzas pueden mantener los átomos unidos solo cuando el movimiento molecular es muy pequeño, que es lo que ocurre a temperaturas muy bajas. El helio es la única sustancia conocida que no se solidifica al enfriarse a una presión normal. Permanece en el estado de un líquido cerca del cero absoluto (0.001 K) a presiones ordinarias, pero se convierte en un sólido a presiones elevadas.
El helio se usa para llenar los globos y las naves que son más ligeras que el aire porque no se puede quemar, esto lo hace más seguro que el hidrógeno. El helio a altas presiones no es un narcótico como el nitrógeno. Por eso las mezclas de oxígeno y helio son importantes para los buceadores que trabajan en altas presiones. El uso de una mezcla de helio y oxígeno evita el estado mental desorientado conocido como la narcosis por nitrógeno. El helio es importante como una atmósfera inerte para la fusión y soldadura de metales fácilmente oxidables y para muchos procesos químicos que son susceptibles al aire.
El helio líquido (punto de ebullición, 4.2 K) es un refrigerante importante que se usa para alcanzar las bajas temperaturas necesarias para la investigación criogénica, y se necesita para lograr las bajas temperaturas que producen la superconducción en materiales superconductores tradicionalmente usadas en potentes imanes y otros dispositivos. Esta habilidad de enfriamiento es necesaria para los imanes que se usan para la resonancia magnética, un procedimiento de diagnóstico médico común. El otro refrigerante común es el nitrógeno líquido (punto de ebullición, 77 K), que es significativamente más barato.
El neón es un componente de las lámparas y letreros de neón. Si se pasa una chispa eléctrica a través de un tubo que contiene neón a baja presión genera el familiar color rojo del neón. Es posible cambiar el color de la luz mezclando el argón o el vapor de mercurio con el neón o usando tubos de vidrio de un color especial.
El argón era útil en la fabricación de las bombillas eléctricas de gas, donde su menor conductividad térmica e inercia química lo hacía más preferido que el nitrógeno para inhibir la vaporización del filamento de tungsteno y prolongar la vida útil de la bombilla. Normalmente, los tubos fluorescentes contienen una mezcla de argón y vapor de mercurio. El argón es el tercer gas más abundante en el aire seco.
Los tubos de flash de criptón-xenón se usan para tomar fotografías de alta velocidad. Una descarga eléctrica a través de un tubo de este tipo produce una luz muy intensa que dura solamente \(\dfrac{1}{50,000}\) de un segundo. El criptón forma un difluoruro, KrF 2 , que es térmicamente inestable a una temperatura ambiente.
Los compuestos estables de xenón se forman cuando el xenón reacciona con el flúor. El difluoruro de xenón, XeF 2 , se forma después de calentar un exceso del gas xenón con el gas flúor y luego enfriarlo. El material forma cristales incoloros, que son estables a una temperatura ambiente en una atmósfera seca. El tetrafluoruro de xenón, XeF 4 , (Figura \(\PageIndex{1}\)) y el hexafluoruro de xenón, XeF 6 , se preparan de manera análoga, con una cantidad estequiométrica de flúor y un exceso de flúor, respectivamente. Los compuestos con el oxígeno se preparan reemplazando los átomos de flúor en los fluoruros de xenón con el oxígeno.
Figure \(\PageIndex{1}\) : El 2 de octubre de 1962, Argonne anunció la creación del tetrafluoruro de xenón, el primer compuesto simple de xenón, un gas noble que se cree ser químicamente inerte. Esta creación abrió una nueva era para el estudio de los enlaces químicos. (Dominio público; Laboratorio Nacional Argonne)
Cuando el XeF 6 reacciona con el agua, se produce una solución de XeO 3 y el xenón permanece en el estado de oxidación 6+:
\[\ce{XeF6}(s)+\ce{3H2O}(l)⟶\ce{XeO3}(aq)+\ce{6HF}(aq)\]
El trióxido de xenón seco y sólido, XeO 3 , es muy explosivo: detonará espontáneamente. Tanto XeF 6 como XeO 3 se descomponen en soluciones básicas, produciendo xenón, oxígeno y sales del ión perxenato, \(\ce{XeO6^4-}\), en el que el xenón alcanza su estado de oxidación máximo de 8+.
El radón aparentemente forma el RnF 2 ; la evidencia de este compuesto proviene de técnicas de radio trazadores.
Los compuestos inestables del argón se forman a bajas temperaturas, pero ahorita no hay compuestos estables de helio y neón.
Resumen
La propiedad más significativa de los gases nobles (grupo 18) es su inactividad. Pueden ocurrir en bajas concentraciones en la atmósfera. Encuentran usos como atmósferas inertes, letreros de neón y como refrigerantes. Los tres gases nobles más pesados reaccionan con el flúor para formar los fluoruros. Los fluoruros de xenón son los que se caracterizan como materiales de partida para algunos otros compuestos de gases nobles.
Glosario
- haluro
- un compuesto que contiene un anión de un elemento del grupo 17 en el estado de oxidación 1− (fluoruro, F − ; cloruro, Cl − ; bromuro, Br − ; y yoduro, I − )
- interhalógeno
- un compuesto formado por dos o más halógenos diferentes
Contribuyentes y atribuciones
-
Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110) ."
-
Ana Martinez ( amartinez02@saintmarys.edu ) contribuyó a la traducción de este texto.