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Gas noble

Los gases nobles (históricamente los gases inertes , a veces denominados aerógenos [1] ) son los miembros del grupo 18 de la tabla periódica : helio (He), neón (Ne), argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe), radón (Rn) y, en algunos casos, oganesón (Og). En condiciones estándar , los primeros seis de estos elementos son gases monoatómicos , incoloros e inodoros con una reactividad química muy baja y puntos de ebullición criogénicos . Las propiedades del séptimo elemento inestable, Og, son inciertas.

La fuerza intermolecular entre los átomos de los gases nobles es la muy débil fuerza de dispersión de London , por lo que sus puntos de ebullición son todos criogénicos, por debajo de 165 K (−108 °C; −163 °F). [2]

La inercia de los gases nobles , o su tendencia a no reaccionar con otras sustancias químicas , resulta de su configuración electrónica : su capa exterior de electrones de valencia está "llena", lo que les da poca tendencia a participar en reacciones químicas . Solo se sabe que existen unos pocos cientos de compuestos de gases nobles . La inercia de los gases nobles los hace útiles siempre que no se deseen reacciones químicas. Por ejemplo, el argón se utiliza como gas de protección en la soldadura y como gas de relleno en las bombillas incandescentes . El helio se utiliza para proporcionar flotabilidad a los dirigibles y globos . El helio y el neón también se utilizan como refrigerantes debido a sus bajos puntos de ebullición . Se obtienen cantidades industriales de los gases nobles, excepto el radón, separándolos del aire mediante los métodos de licuefacción de gases y destilación fraccionada . El helio también es un subproducto de la minería de gas natural . El radón suele aislarse de la desintegración radiactiva de compuestos disueltos de radio , torio o uranio .

El séptimo miembro del grupo 18 es el oganesón, un elemento sintético inestable cuya química aún es incierta porque solo se han sintetizado cinco átomos de vida muy corta (t 1/2 = 0,69 ms) (hasta 2020 [3] ). La IUPAC utiliza el término "gas noble" indistintamente con "grupo 18" y, por lo tanto, incluye al oganesón; [4] sin embargo, debido a los efectos relativistas , se predice que el oganesón es un sólido en condiciones estándar y lo suficientemente reactivo como para no calificar funcionalmente como "noble". [3]

Historia

El término gas noble se traduce del sustantivo alemán Edelgas , utilizado por primera vez en 1900 por Hugo Erdmann [5] 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 . [6] Gases raros es otro término que se utilizó, [7] pero esto 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 . [8]

Un gráfico del espectro de líneas del espectro visible que muestra líneas nítidas en la parte superior.
El helio se detectó por primera vez en el Sol debido a sus líneas espectrales características .

Pierre Janssen y Joseph Norman Lockyer habían descubierto un nuevo elemento el 18 de agosto de 1868 mientras observaban la cromosfera del Sol , y lo llamaron helio en honor a la palabra griega para el Sol, ἥλιος ( hḗlios ). [9] 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 . [10] Un siglo después, en 1895, Lord Rayleigh descubrió que las muestras de nitrógeno del aire tenían una densidad diferente a la del nitrógeno resultante de las reacciones químicas . Junto con el científico escocés William Ramsay en el 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 , "ocioso" o "perezoso"). [10] Con este descubrimiento, se dieron cuenta de que faltaba una clase completa de gases en la tabla periódica. Durante su búsqueda del argón, Ramsay también logró aislar el helio por primera vez mientras calentaba cleveíta , un mineral. En 1902, habiendo aceptado la evidencia de los elementos helio y argón, Dmitri Mendeleev incluyó estos gases nobles como el grupo 0 en su ordenamiento de los elementos, que más tarde se convertiría en la tabla periódica. [11]

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 criptón , neón y xenón , y los nombró con 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 , [12] y fue nombrado emanación de radio , pero no fue considerado un gas noble hasta 1904 cuando se descubrió que sus características eran similares a las de otros gases nobles. [13] Rayleigh y Ramsay recibieron los Premios Nobel de Física y Química de 1904, respectivamente, por su descubrimiento de los gases nobles; [14] [15] En palabras de JE Cederblom, entonces presidente de la Real Academia Sueca de Ciencias , "el descubrimiento de un grupo enteramente nuevo de elementos, del cual no se conocía con certeza ningún representante, es algo absolutamente único en la historia de la química, siendo intrínsecamente un avance en la ciencia de peculiar importancia". [15]

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 flúor , el elemento más electronegativo , y 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 en 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. [13] En 1916, Gilbert N. Lewis formuló la regla del octeto , que concluyó que un octeto de electrones en la capa externa era la disposición más estable para cualquier átomo; esta disposición hacía que no reaccionaran con otros elementos ya que no requerían más electrones para completar su capa externa. [16]

En 1962, Neil Bartlett descubrió el primer compuesto químico de un gas noble, el hexafluoroplatinato de xenón . [17] Poco después se descubrieron compuestos de otros gases nobles: en 1962 para el radón, el difluoruro de radón ( RnF
2), [18] que fue identificado mediante técnicas de radiotrazadores y en 1963 para el criptón, el difluoruro de criptón ( KrF
2). [19] 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). [20]

En octubre de 2006, científicos del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear y del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore crearon con éxito de forma sintética el oganesón , el séptimo elemento del grupo 18, [21] bombardeando californio con calcio. [22]

Propiedades físicas y atómicas

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 mayores que muchos elementos normalmente sólidos . [13] 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 se puede solidificar por enfriamiento a presión atmosférica [29] (un efecto explicado por la mecánica cuántica ya que su energía de punto cero es demasiado alta para permitir la congelación ) [30] – se debe aplicar una presión de 25 atmósferas estándar (2,500  kPa ; 370  psi ) a una temperatura de 0.95 K (−272.200 °C; −457.960 °F) para convertirlo en un sólido [29] mientras que se requiere una presión de aproximadamente 113,500 atm (11,500,000 kPa; 1,668,000 psi) a temperatura ambiente . [31] Los gases nobles hasta el xenón tienen múltiples isótopos estables ; El criptón y el xenón también tienen radioisótopos naturales , a saber, 78Kr, 124Xe y 136Xe, todos tienen vidas muy largas (> 10 21 años) y pueden sufrir doble captura de electrones o doble desintegración beta . 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 desintegra en plomo . [13] El oganesón tampoco tiene isótopos estables, y su único isótopo conocido, 294Og, tiene una vida muy corta (vida media de 0,7 ms). Los puntos de fusión y ebullición aumentan al descender en el grupo.

Un gráfico de la energía de ionización en función del número atómico que muestra picos pronunciados para los átomos de gas noble.
Este es un gráfico del potencial de ionización en función del número atómico . Los gases nobles tienen el mayor potencial de ionización para cada período, aunque se espera que el período 7 rompa esta tendencia porque la primera energía de ionización prevista del oganesón (Z = 118) es menor que la de los elementos 110-112.

Los átomos de los gases nobles , como los átomos de la mayoría de los grupos, aumentan de forma constante en radio atómico de un período al siguiente debido al aumento del 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, no están tan firmemente unidos por el átomo. 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 . [23] 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 conocido por ser lo suficientemente fuerte como para reaccionar con el oxígeno. [17] Los gases nobles no pueden aceptar un electrón para formar aniones estables ; es decir, tienen una afinidad electrónica negativa . [32]

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 polarizabilidad y la disminución del potencial de ionización. Esto da como resultado tendencias sistemáticas de grupo: a medida que se desciende por el grupo 18, el radio atómico aumenta 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 la densidad se debe al aumento de la masa atómica . [23]

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 , a menudo utilizado para modelar las interacciones intermoleculares , fue deducido en 1924 por John Lennard-Jones a partir de datos experimentales sobre argón antes de que el desarrollo de la mecánica cuántica proporcionara las herramientas para comprender las fuerzas intermoleculares a partir de los primeros principios . [33] 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

Un diagrama de capas atómicas con núcleo de neón, 2 electrones en la capa interna y 8 en la capa externa.
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 . [34] En su día se los etiquetó 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 hizo que esta etiqueta cayera en desuso. [13]

Configuración electrónica

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

Los gases nobles tienen capas de electrones de valencia completas . 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 completas son extremadamente estables y, por lo tanto, no tienden a formar enlaces químicos y tienen poca tendencia a ganar o perder electrones . [35] 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 hace que sea más fácil eliminar los electrones externos de los gases nobles pesados.

Como resultado de una capa completa, los gases nobles se pueden utilizar junto con la notación de configuración electrónica para formar la notación de gas noble . Para ello, se escribe primero 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 orbitales atómicos . [36]

Los gases nobles cruzan el límite entre bloques (el helio es un elemento s mientras que el resto de miembros son elementos p) , lo cual es inusual entre los grupos de la IUPAC . Todos los demás grupos de la IUPAC contienen elementos de un bloque cada uno. Esto provoca algunas inconsistencias en las tendencias a lo largo de la tabla, y sobre esa base algunos químicos han propuesto que el helio se deba trasladar al grupo 2 para estar con otros elementos s 2 , [37] [38] [39] pero este cambio no ha sido generalmente adoptado.

Compuestos

Un modelo de molécula química plana con un átomo central azul (Xe) unido simétricamente a cuatro átomos periféricos (flúor).
Estructura del tetrafluoruro de xenón ( XeF
4), uno de los primeros compuestos de gas noble que se descubrieron

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 neutros que contienen helio), mientras que el xenón, el criptón y el argón han mostrado solo una reactividad menor. [40] La reactividad sigue el orden Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn ≪ Og.

En 1933, Linus Pauling predijo que los gases nobles más pesados ​​podían formar compuestos con flúor y oxígeno. Predijo la existencia del hexafluoruro de criptón ( KrF
6) y hexafluoruro de xenón ( XeF
6) y especuló que el octafluoruro de xenón ( XeF
8) podría existir como un compuesto inestable, y sugirió que el ácido xénico podría formar sales de perxenato . [41] [42] Se demostró que estas predicciones eran generalmente precisas, excepto que XeF
8Ahora se piensa que es inestable tanto termodinámica como cinéticamente . [43]

Los compuestos de xenón son los más numerosos de los compuestos de gas noble que se han formado. [44] 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 según las siguientes ecuaciones:

Xe+ F2 → XeF2
Xe+ 2F2 → XeF4
Xe+ 3F2 → XeF6

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 . [45] Hasta 2007, se han identificado alrededor de quinientos compuestos de xenón unidos a otros elementos, incluidos compuestos de organoxenón (que contienen xenón unido al carbono) y xenón unido al nitrógeno, cloro, oro, mercurio y el propio xenón. [40] [46] También se han observado compuestos de xenón unidos al 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. [40]

El radón es más reactivo que el xenón y forma enlaces químicos con mayor facilidad que éste. Sin embargo, debido a la alta radiactividad y la corta vida media de los isótopos del radón , en la práctica solo se han formado unos pocos fluoruros y óxidos de radón. [47] El radón tiene un comportamiento más metálico que el xenón; el difluoruro RnF 2 es altamente iónico y el catiónico Rn 2+ 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 . [48] [49] [50]

El criptón es menos reactivo que el xenón, pero se han descrito varios compuestos con criptón en el estado de oxidación +2. [40] El difluoruro de criptón es el más notable y el más fácil de caracterizar. En condiciones extremas, el criptón reacciona con flúor para formar KrF 2 de acuerdo con la siguiente ecuación:

Kr + F2 → KrF2

También se han caracterizado compuestos en los que el criptón forma un enlace simple con el nitrógeno y el oxígeno, [51] pero solo son estables por debajo de -60 °C (-76 °F) y -90 °C (-130 °F) respectivamente. [40]

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. [40] Se utilizaron condiciones similares para obtener los primeros compuestos de argón en 2000, como el fluorhidruro de argón (HArF), y algunos unidos a los metales de transición tardía cobre, plata y oro. [40] A partir de 2007, no se conocen moléculas neutras estables que involucren helio o neón unidos covalentemente. [40]

La extrapolación de tendencias periódicas predice que el oganesón debería ser el más reactivo de los gases nobles; tratamientos teóricos más sofisticados indican una mayor reactividad de la que sugieren dichas extrapolaciones, hasta el punto en que se ha cuestionado la aplicabilidad del descriptor "gas noble". [52] Se espera que el oganesón sea bastante parecido al silicio o al estaño en el grupo 14: [53] un elemento reactivo con un estado +4 común y un estado +2 menos común, [54] [55] que a temperatura y presión ambiente no es un gas sino un semiconductor sólido. Se requerirán pruebas empíricas/experimentales para validar estas predicciones. [24] [56] (Por otro lado, se predice que el flerovio , a pesar de estar en el grupo 14, es inusualmente volátil, lo que sugiere propiedades similares a las de los gases nobles). [57] [58]

Los gases nobles, incluido el helio, pueden formar iones moleculares estables en la fase gaseosa. El más simple es el ion molecular hidruro de helio , HeH + , descubierto en 1925. [59] Debido a que está compuesto por los dos elementos más abundantes en el universo, hidrógeno y helio, se creía que se producía de forma natural en el medio interestelar , y finalmente se detectó en abril de 2019 utilizando el telescopio aerotransportado SOFIA . Además de estos iones, existen muchos excímeros neutros conocidos de los gases nobles. Se trata de compuestos como ArF y KrF que son estables solo cuando están en un estado electrónico excitado ; algunos de ellos encuentran aplicación en los láseres excímeros .

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, [60] 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 ser de tamaño apropiado para caber en las cavidades de la red cristalina anfitriona. Por ejemplo, argón, criptón y xenón forman clatratos con hidroquinona , pero el helio y el neón no lo hacen porque son demasiado pequeños o insuficientemente polarizables para ser retenidos. [61] El neón, el argón, el criptón y el xenón también forman hidratos de clatrato, donde el gas noble está atrapado en hielo. [62]

Una estructura esquelética de buckminsterfullereno con un átomo extra en su centro.
Un compuesto de fulereno endoédrico que contiene un átomo de gas noble.

Los gases nobles pueden formar compuestos de fulerenos endoédricos , en los que el átomo de gas noble queda atrapado dentro de una molécula de fulerenos . En 1993, se descubrió que cuando el C
60, una molécula esférica formada por 60  átomos de carbono  , se expone a gases nobles a alta presión, formando complejos como He@C
60se puede formar (la notación @ indica que está contenido dentro de C
60pero no unido covalentemente a él). [63] A partir de 2008, se han creado complejos endoédricos con helio, neón, argón, criptón y xenón. [64] Estos compuestos han encontrado uso en el estudio de la estructura y reactividad de los fulerenos mediante la resonancia magnética nuclear del átomo de gas noble. [65]

Ilustración esquemática de los orbitales de enlace y antienlace (ver texto)
Enlace en XeF
2según el modelo de enlace de 3 centros y 4 electrones

Compuestos de gases nobles como el difluoruro de xenón ( XeF
2) se consideran hipervalentes porque violan la regla del octeto . El enlace en dichos compuestos se puede explicar utilizando un modelo de enlace de cuatro electrones y tres centros . [66] [67] Este modelo, propuesto por primera vez en 1951, considera el enlace de tres átomos colineales. Por ejemplo, el enlace en XeF
2Se describe mediante un conjunto de tres orbitales moleculares (OM) derivados de los orbitales p de cada átomo. La unión 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 de enlace lleno, un orbital no enlazante lleno y un orbital antienlazante vacío . El orbital molecular más ocupado se localiza en los dos átomos terminales. Esto representa una localización de carga que se ve facilitada por la alta electronegatividad del flúor. [68]

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

Ocurrencia y producción

Las abundancias de los gases nobles en el universo disminuyen a medida que aumentan sus números atómicos . 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, la desintegración alfa de los elementos pesados). [69] [70] Las abundancias en la Tierra siguen diferentes tendencias; por ejemplo, el helio es solo el tercer gas noble más abundante en la atmósfera. La razón es que no hay helio primordial en la atmósfera; debido a la pequeña masa del átomo, el helio no puede ser retenido por el campo gravitacional de la Tierra . [71] 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 depósitos de gas natural . [71] 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 más abundante del argón en la Tierra a pesar de ser relativamente raro en el Sistema Solar . Este proceso es la base del método de datación potasio-argón . [72] 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. [73] Después del descubrimiento del dióxido de xenón , la investigación mostró que el Xe puede sustituir al Si en el cuarzo . [74] El radón se forma en la litosfera por la desintegración alfa del 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 significativo para la salud; Se estima que está implicado en 21.000 muertes por cáncer de pulmón al año solo en los Estados Unidos. [75] El oganesson no se produce en la naturaleza, sino que lo crean manualmente los científicos.

Para su uso a gran escala, el helio se extrae mediante destilación fraccionada del gas natural, que puede contener hasta un 7% de helio. [80]

El neón, el argón, el criptón y el xenón se obtienen del aire mediante los métodos de licuefacción de gases , para convertir los elementos a un estado líquido, y de destilación fraccionada , para separar las mezclas en sus componentes. El helio se produce normalmente separándolo del gas natural , y el radón se aísla de la desintegración radiactiva de los compuestos de radio. [13] Los precios de los gases nobles están influenciados por su abundancia natural, siendo el argón el más barato y el xenón el más caro. A modo de ejemplo, la tabla adyacente enumera los precios de 2004 en los Estados Unidos para cantidades de laboratorio de cada gas.

Química biológica

Ninguno de los elementos de este grupo tiene importancia biológica. [81]

Aplicaciones

Un gran cilindro sólido con un agujero en el centro y un riel unido a su costado.
El helio líquido se utiliza para enfriar los imanes superconductores en los escáneres de resonancia magnética modernos.

Los gases nobles tienen puntos de ebullición y fusión muy bajos, lo que los hace útiles como refrigerantes criogénicos . [82] 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 obtención de imágenes por resonancia magnética nuclear . [83] El neón líquido, aunque no alcanza temperaturas tan bajas como el helio líquido, también se utiliza en criogenia porque tiene más de 40 veces más capacidad de refrigeración que el helio líquido y más de tres veces más que el hidrógeno líquido. [78]

El helio se utiliza como componente de los gases respiratorios para reemplazar el nitrógeno, debido a su baja solubilidad en los fluidos, especialmente en los 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 . [84] Debido a su reducida solubilidad, poco helio se absorbe en las membranas celulares , y cuando se utiliza helio para reemplazar parte de las mezclas respiratorias, como en trimix o heliox , se obtiene una disminución del efecto narcótico del gas en profundidad. [85] La reducida solubilidad del helio ofrece más ventajas para la afección conocida como enfermedad por descompresión o las curvas . [13] [86] 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 como gas de inflado de traje seco para buceo. [87] El helio también se utiliza como gas de relleno en las barras de combustible nuclear de los reactores nucleares. [88]

Dirigible con forma de cigarro que lleva escrito "Buen año" en su costado.
Dirigible Goodyear

Desde el desastre del Hindenburg en 1937, [89] el helio ha reemplazado al hidrógeno como gas de elevación en dirigibles y globos : a pesar de una disminución del 8,6% [90] en la flotabilidad en comparación con el hidrógeno, el helio no es combustible. [13]

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. [91] 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 . [79] Tanto el helio como 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. [78]

Esfera de vidrio alargada con dos electrodos de varilla de metal en su interior, enfrentados entre sí. Un electrodo es romo y el otro afilado.
Lámpara de arco corto de xenón de 15.000 vatios utilizada en proyectores IMAX

Los gases nobles se utilizan comúnmente en la iluminación debido a su falta de reactividad química. El argón, mezclado con nitrógeno, se utiliza como gas de relleno para las bombillas incandescentes . [78] El criptón se utiliza 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 . [78] Los gases nobles brillan en colores distintivos cuando se utilizan dentro de lámparas de descarga de gas , como las " luces de neón ". Estas luces se llaman así por el neón, pero a menudo contienen otros gases y fósforos , que añaden varios matices al color naranja rojizo del neón. El xenón se utiliza comúnmente en 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. [78]

Los gases nobles se utilizan en láseres excimer , que se basan en moléculas excitadas electrónicamente de vida corta conocidas como excímeros . Los excímeros utilizados para láseres pueden ser dímeros de gases nobles como Ar2 , Kr2 o Xe2 , 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 excimer tienen muchas aplicaciones industriales, médicas y científicas. Se utilizan para microlitografía y microfabricación , que son esenciales para la fabricación de circuitos integrados , y para cirugía láser , incluida la angioplastia láser y la cirugía ocular . [92]

Algunos gases nobles tienen aplicación directa en medicina. El helio se utiliza a veces para mejorar la facilidad de respiración de las personas con asma . [78] 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. [93] El xenón encuentra aplicación en la obtención de imágenes médicas de los pulmones a través de la resonancia magnética hiperpolarizada. [94] El radón, que es altamente radiactivo y solo está disponible en cantidades mínimas, se utiliza en radioterapia . [13]

Los gases nobles, en particular el xenón, se utilizan predominantemente en los motores iónicos debido a su inercia. Dado que los motores iónicos no se impulsan mediante reacciones químicas, se prefieren combustibles químicamente inertes para evitar reacciones no deseadas entre el combustible y cualquier otra cosa en el motor.

El oganesson es demasiado inestable para trabajar con él y no tiene ninguna aplicación conocida más allá de la investigación.

Aplicación de los gases nobles en las ciencias de la Tierra

Las abundancias isotópicas relativas de los gases nobles tienen un uso significativo y amplio como herramienta de rastreo geoquímico en las ciencias de la tierra [95] . Proporcionan información importante sobre la historia de desgasificación de la Tierra a pequeña y gran escala y el efecto resultante en la composición de la atmósfera . Debido a su naturaleza inerte, los gases nobles retienen su firma de fuente a medida que interactúan con otros reservorios volátiles mientras migran a través de la corteza terrestre , la parte más profunda de la tierra y la atmósfera [96]. Debido a su baja abundancia en diferentes entornos geológicos , los cambios en su concentración se pueden utilizar para resolver los procesos que influyeron en su firma actual [95] [97] . Para que su uso sea más conveniente, los geoquímicos utilizan proporciones para describir sus cantidades y la relación entre diferentes gases nobles. Las proporciones isotópicas tienen en cuenta múltiples fuentes de varios reservorios geoquímicos, la proporción se representa mediante un valor específico o de rango para reflejar la influencia de una o más fuentes en particular.

Helio

El helio tiene dos isótopos abundantes, helio-3 y helio-4 . El helio-3 es primordial, lo que significa que se originó a partir de un proceso de acreción durante la formación de la Tierra, donde quedó atrapado en el núcleo y el manto de la Tierra . El helio-4 se origina como una partícula alfa de la desintegración de radionucleidos ( 232 Th, 235,238 U), que son abundantes en la corteza terrestre . Las proporciones isotópicas del helio se representan por el valor R A , que significa una medida relativa al aire 3 He/ 4 He = 1,39*10 -6 [98] . Los volátiles que se originan en la corteza terrestre tienen un R A de 0,02-0,05 , lo que indica un enriquecimiento de helio-4 [99] . Los volátiles que se originan en fuentes más profundas, como el manto litosférico subcontinental (SCLM), tienen un R A de 6,1 ± 0,9 [100] . Los volátiles que se transportan desde el manto superior , representados por basaltos de la dorsal mesoceánica (MORB), tienen una firma con 8 ± 1 R A y cualquier cosa con fuentes más profundas (es decir, penacho del manto ) tiene un > 8 R A [100] [101] . El viento solar , que representa una firma primordial , registra una relación 3 He/ 4 He de ~ 330 R A [102] . En comparación, se ha informado que la muestra de penacho de roca picrita en Islandia tiene ~50 R A, lo que indica un menor efecto de contaminación de la corteza [103] . El AR A entre los valores informados indica procesos de mezcla entre las fuentes de los miembros finales (es decir, mezcla binaria), que indican una adición o pérdida de 3 He o 4 He de sus respectivas fuentes. [ jerga ]  

Los isótopos de otros gases nobles (neón, argón, criptón y xenón) pueden proporcionar información que no está fácilmente disponible en los isótopos de helio.

Neón

El neón tiene tres isótopos estables principales, cada uno proveniente de diferentes reservorios y procesos geoquímicos [104] [105] . El 20 Ne se produce principalmente por reacciones nucleogénicas cósmicas y queda atrapado durante la formación de la atmósfera , lo que explica su alta abundancia en el aire en comparación con otros entornos geológicos. El 21 Ne y el 22 Ne se producen en la corteza terrestre como resultado de interacciones entre partículas alfa y neutrónicas con elementos ligeros; 18 O, 19 F y 24,25 Mg [106] . Las proporciones entre los isótopos del neón representan extremos geoquímicos que desentrañan la fuente y la vía de evolución del sistema volátil. Por ejemplo, las proporciones del neón ( 20 Ne/ 22 Ne y 21 Ne/ 22 Ne) se utilizan ampliamente para discernir la heterogeneidad en el manto de la Tierra . Los altos valores de 20 Ne / 22 Ne reportados en Islandia (12,88 ± 0,12) [107] o en el Atlántico sur (13,10 ± 0,5) [108] reflejan un gas nebular atrapado en el manto profundo [109]. Un valor más bajo de 20 Ne/ 22 Ne en MORB (12,5) refleja un proceso diferente al fraccionamiento dependiente de la masa que resultó en el escape de 20 Ne. De manera similar, el aire 20 Ne/ 22 Ne = 9,8 refleja una enorme pérdida comparativa de 20 Ne, posiblemente durante el escape dependiente de la masa de isótopos ligeros que acompañan al flujo hidrodinámico masivo de H 2 del sistema de la Tierra [110] . Todo esto tiene una implicación en la evolución térmica y el presupuesto volátil de los sistemas de la Tierra, complementando la información proporcionada por los isótopos de helio.

El argón tiene tres isótopos estables: 36 Ar, ​​38 Ar y 40 Ar. 36 Ar y 38 Ar son primordiales , con su inventario en la corteza terrestre que depende del equilibrio del agua meteórica con los fluidos de la corteza [104] . Esto explica el enorme inventario de 36 Ar en la atmósfera. La producción de estos dos isótopos ( 36 Ar y 38 Ar) es insignificante dentro de la corteza terrestre, solo se pueden producir concentraciones limitadas de 38 Ar por interacción entre partículas alfa de la desintegración de 235,238 U y 232 Th y elementos ligeros ( 37 Cl y 41 K). Mientras que 36 Ar se produce continuamente por la desintegración beta de 36 Cl [115] [116] . 40 Ar es un producto de la desintegración radiogénica de 40 K. Se han informado diferentes valores de miembros finales para 40 Ar/ 36 Ar; Aire = 295,5 [117] , MORB = 40 000 [117] y corteza = 3000 [104] .

Kypton

El kriptón tiene varios isótopos , algunos de los cuales son principalmente primordiales; 78, 80, 82 Kr mientras que otros se producen por fisión espontánea de 244 Pu y desintegración radiogénica de 238 U; 83,84, 86 Kr [118] [104] . Junto con el argón y el xenón, estos son conocidos como gases nobles pesados, con características geoquímicas clave de su composición en depósitos del manto que se asemejan a la atmósfera moderna [119] . A diferencia de los gases nobles ligeros (helio y neón), el criptón conserva la firma primordial similar a la solar. Los isótopos de criptón se han utilizado para descifrar el mecanismo de entrega de volátiles al sistema de la Tierra, que tuvo una gran implicación en la evolución de la Tierra (nitrógeno, oxígeno y oxígeno) y el surgimiento de la vida [120] . Esto se debe en gran medida a una clara distinción de la firma del isótopo de criptón de varias fuentes, como el material condrítico , el viento solar y los cometas [121] [122] .

Xenón

El xenón tiene nueve isótopos , la mayoría de los cuales se producen por desintegración radiogénica. Los gases nobles criptón y xenón requieren un protocolo de muestreo geoquímico prístino y sólido para evitar la contaminación atmosférica. [123] Además, se requiere instrumentación sofisticada para resolver picos de masa entre muchos isótopos con una diferencia de masa estrecha durante el análisis.  

Muestreo y medición

Muestreo

Se pueden tomar muestras de diversos medios para realizar mediciones de gases nobles, incluidos fluidos volcánicos, manantiales, pozos geotérmicos, gases naturales y gases atrapados en rocas [127] . Los fluidos volcánicos que se liberan activamente de centros volcánicos, como fumarolas , o que se desgasifican pasivamente a lo largo de fallas , brindan una ventana para tomar muestras de la firma de fuentes profundas. Generalmente, para recolectar una muestra, se introduce un embudo o un tubo de titanio conectado a un tubo Tygon en el otro extremo en la fuente de descarga. A continuación, se proporciona el protocolo de muestreo específico para varios contenedores de muestreo.

Medición
Espectrometría de masas en laboratorio

Los gases nobles tienen una gran cantidad de isótopos , algunos de los cuales tienen una variación sutil que ha impulsado la necesidad de desarrollar sistemas de alta precisión, sensibles y robustos para discernir entre concentraciones extremadamente bajas de gases nobles. A lo largo de los años, el sistema principal para detectar las proporciones de isótopos de gases nobles utilizó un espectrómetro de masas de sector magnético , que funcionaba cambiando la intensidad del campo magnético que enfoca el haz de iones secuencialmente para diferentes masas de iones en un solo colector [133] [134] . El principal desafío con esto es el consumo de tiempo y el "modo de salto de pico" que resultan en una baja sensibilidad en las mediciones.

El espectrómetro de masas de colector múltiple permite detectar diferentes haces de iones para diferentes masas de isótopos mediante la colocación de múltiples detectores. Esto permite obtener picos estables y de superficie plana y una alta sensibilidad con un mayor rendimiento de la muestra [134] . Un buen ejemplo de estos sistemas es el espectrómetro de masas cuadrupolo (QMS).

Antes del análisis, es necesaria la preparación de la muestra de gases nobles para el análisis, lo que implica etapas de extracción y purificación. Esto es crucial debido a la baja abundancia de gases nobles en la mayoría de los materiales geológicos [132] . La mayoría de los laboratorios de gases nobles tienen protocolos de ambos sistemas establecidos para los procesos de extracción y purificación. La extracción permite la liberación de gases nobles de su portador (fase principal; fluido o sólido). Existen diferentes protocolos de extracción según el objetivo del análisis. Para muestras fluidas, la insolubilidad de los gases nobles resulta de una expansión preferencial a un volumen bajo vacío estático que ha sido creado y mantenido por bombas conectadas a la línea de extracción. Para muestras sólidas como inclusiones fundidas , los gases nobles se pueden extraer utilizando un tratamiento de soluciones específicas, trituración o calentamiento bajo sistemas de vacío [132] [135] .

Los gases nobles rara vez se encuentran aislados en sistemas naturales, y es necesario un proceso de purificación para eliminar impurezas y mejorar la concentración por unidad de volumen de muestra que se analiza. Este proceso aprovecha la inercia de los gases nobles al someter el volumen de muestra a superficies metálicas reactivas " getters " que descomponen y adsorben especies reactivas. Antes de la expansión de la muestra a los getters, la muestra se introduce primero en un horno de esponja de titanio precalentado a 850 - 900 o C, que descompone especies como CH 4 , CO 2 , N 2 , H 2 y O 2 [136] [137] . Existen diferentes getters en varias líneas de purificación de laboratorio, como SAES GP-50 y SAES NP-10 [137] . Utilizando trampas criogénicas, los gases nobles pueden analizarse secuencialmente en el detector del espectrómetro de masas sin interferencia de pico que puede resultar de la similitud masa/carga ( 40 Ar ++ con 20 Ne o 44 CO 2 ++ y 22 Ne) [136] . Se realiza un aumento gradual de la temperatura para permitir el análisis de secuencia en el espectrómetro de masas.

Línea de espectrómetro de masas para extracción y purificación (clean up).
Espectrometría de masas basada en campo

Miniaturizar un sofisticado espectrómetro de masas de gases nobles para laboratorio y mantener el rendimiento operativo y de sensibilidad en el campo es una tarea desafiante. Varios laboratorios de investigación como Stanford Research Systems han logrado inventar un analizador de gases que se puede ensamblar con sistemas de vacío de bajo costo y otros componentes en un sistema de espectrómetro de masas de campo completo. Un ejemplo moderno es un espectrómetro de masas portátil (miniRuedi), capaz de cuantificar He, Ne, Ar, Kr y otros elementos/compuestos utilizando el analizador de masas cuadrupolo miniaturizado y aún manteniendo una incertidumbre analítica de 1-3% [138] .

Color de descarga

El color de la emisión de descarga de gas depende de varios factores, entre ellos los siguientes: [139]

Véase también

Notas

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