18.12: Ocurrencia, preparación y propiedades de los gases nobles

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Objetivos de aprendizaje

Describir las propiedades, preparación y usos de los gases nobles

Los elementos del grupo 18 son los gases nobles (helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón). Se ganaron el nombre de “nobles” porque se suponía que no eran reactivos ya que han llenado conchas de valencia. En 1962, el doctor Neil Bartlett de la Universidad de Columbia Británica demostró que esta suposición era falsa.

Estos elementos están presentes en la atmósfera en pequeñas cantidades. Parte del gas natural contiene 1— 2% de helio en masa. El helio se aísla del gas natural licuando los componentes condensables, dejando solo helio como gas. Estados Unidos posee la mayor parte del suministro comercial mundial de este elemento en sus yacimientos de gas con helio. El argón, el neón, el kriptón 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. Su acumulación en edificios bien aislados y herméticamente sellados, sin embargo, constituye un peligro para la salud, principalmente 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 están presentes fuerzas débiles de dispersión de Londres, y estas fuerzas pueden mantener unidos a los átomos solo cuando el movimiento molecular es muy leve, ya que es a temperaturas muy bajas. El helio es la única sustancia conocida que no se solidifica al enfriarse a presión normal. Permanece líquido cercano al cero absoluto (0.001 K) a presiones ordinarias, pero se solidifica bajo presión elevada.

El helio se utiliza para llenar globos y embarcaciones más ligeras que el aire porque no se quema, lo que lo hace más seguro de usar que el hidrógeno. El helio a altas presiones no es un narcótico como el nitrógeno. Por lo tanto, las mezclas de oxígeno y helio son importantes para los buceadores que trabajan bajo altas presiones. El uso de una mezcla de helio y oxígeno evita el estado mental desorientado conocido como narcosis nitrogenada, el llamado rapto de las profundidades. El helio es importante como atmósfera inerte para la fusión y soldadura de metales fácilmente oxidables y para muchos procesos químicos que son sensibles al aire.

El helio líquido (punto de ebullición, 4.2 K) es un refrigerante importante para alcanzar las bajas temperaturas necesarias para la investigación criogénica, y es esencial para lograr las bajas temperaturas necesarias para producir superconducción en materiales superconductores tradicionales utilizados en potentes imanes y otros dispositivos. Esta capacidad de enfriamiento es necesaria para los imanes utilizados 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 económico.

El neón es un componente de las lámparas y letreros de neón. Pasar una chispa eléctrica a través de un tubo que contiene neón a baja presión genera el familiar resplandor rojo del neón. Es posible cambiar el color de la luz mezclando argón o vapor de mercurio con el neón o utilizando tubos de vidrio de un color especial.

El argón fue útil en la fabricación de bombillas eléctricas llenas de gas, donde su menor conductividad térmica e inercia química la hicieron preferible al nitrógeno para inhibir la vaporización del filamento de tungsteno y prolongar la vida útil de la bombilla. Los tubos fluorescentes suelen contener 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 kriptón-xenón se utilizan para tomar fotografías de alta velocidad. Una descarga eléctrica a través de dicho tubo da una luz muy intensa que dura sólo\(\dfrac{1}{50,000}\) un segundo. El kriptón forma un difluoruro, KrF ₂, que es térmicamente inestable a temperatura ambiente.

Los compuestos estables de xenón se forman cuando el xenón reacciona con flúor. El difluoruro de xenón, xEF ₂, se forma después de calentar un exceso de gas xenón con gas flúor y luego enfriarlo. El material forma cristales incoloros, los cuales son estables a temperatura ambiente en 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 oxígeno se preparan reemplazando los átomos de flúor en los fluoruros de xenón por oxígeno.

alt — Figura\(\PageIndex{1}\): El 2 de octubre de 1962, Argonne anunció la creación de tetrafluoruro de xenón, el primer compuesto simple de xenón, un gas noble ampliamente considerado como químicamente inerte. La creación abrió una nueva era para el estudio de los enlaces químicos. (Dominio público; Laboratorio Nacional Argonne)

Cuando XeF ₆ reacciona con agua, se obtiene una solución de XeO ₃ y el xenón permanece en el estado de oxidación 6+:

\[\ce{XeF6}(s)+\ce{3H2O}(l)⟶\ce{XeO3}(aq)+\ce{6HF}(aq) \nonumber \]

El trióxido de xenón seco y sólido, XEo ₃, es extremadamente explosivo, detonará espontáneamente. Tanto XeF ₆ como XEo ₃ desproporcionados en solución básica, produciendo xenón, oxígeno y sales del ion perxenato\(\ce{XeO6^4-}\), en las que el xenón alcanza su estado máximo de oxidación de 8+.

Al parecer, el radón forma RnF ₂, la evidencia de este compuesto proviene de técnicas de trazadores radioquímicos.

Los compuestos inestables de argón se forman a bajas temperaturas, pero no se conocen compuestos estables de helio y neón.

Resumen

La propiedad más significativa de los gases nobles (grupo 18) es su inactividad. Se presentan 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 fluoruros. Los fluoruros de xenón son los que mejor se caracterizan como los materiales de partida para algunos otros compuestos de gas noble.

Glosario

haluro: compuesto que contiene un anión de un elemento del grupo 17 en estado de oxidación 1- (fluoruro, F ^-; cloruro, ^Cl-; bromuro, Br ^-; y yoduro, I ^-)

interhalogeno: compuesto formado a partir de dos o más halógenos diferentes