En química , los compuestos de gases nobles son compuestos químicos que incluyen un elemento de los gases nobles , grupo 18 de la tabla periódica . Aunque los gases nobles son elementos generalmente no reactivos , se han observado muchos compuestos de este tipo, en particular los que involucran al elemento xenón .
Desde el punto de vista de la química, los gases nobles pueden dividirse en dos grupos: [ cita requerida ] el relativamente reactivo criptón ( energía de ionización 14,0 eV ), xenón (12,1 eV) y radón (10,7 eV) por un lado, y el muy poco reactivo argón (15,8 eV), neón (21,6 eV) y helio (24,6 eV) por el otro. De acuerdo con esta clasificación, Kr, Xe y Rn forman compuestos que pueden aislarse en masa a temperatura y presión estándar o cercanas a ellas , mientras que se ha observado que He, Ne y Ar forman enlaces químicos verdaderos utilizando técnicas espectroscópicas , pero solo cuando se congelan en una matriz de gas noble a temperaturas de 40 K (−233 °C; −388 °F) o inferiores, en chorros supersónicos de gas noble o bajo presiones extremadamente altas con metales.
Los gases nobles más pesados tienen más capas electrónicas que los más ligeros. Por lo tanto, los electrones más externos están sujetos a un efecto de protección de los electrones internos que los hace más fácilmente ionizables , ya que son menos fuertemente atraídos por el núcleo cargado positivamente . Esto da como resultado una energía de ionización lo suficientemente baja como para formar compuestos estables con los elementos más electronegativos , flúor y oxígeno , e incluso con elementos menos electronegativos como el nitrógeno y el carbono en determinadas circunstancias. [1] [2]
Cuando se identificó por primera vez la familia de los gases nobles a finales del siglo XIX, no se observó que ninguno de ellos formara compuestos, por lo que inicialmente se creyó que todos eran gases inertes (como se los conocía entonces) que no podían formar compuestos. Con el desarrollo de la teoría atómica a principios del siglo XX, su inercia se atribuyó a una capa de valencia llena de electrones que los hace químicamente muy estables y no reactivos. Todos los gases nobles tienen capas electrónicas externas s y p completas (excepto el helio , que no tiene subnivel p ), por lo que no forman compuestos químicos fácilmente. Su alta energía de ionización y su afinidad electrónica casi nula explican su no reactividad.
En 1933, Linus Pauling predijo que los gases nobles más pesados serían capaces de formar compuestos con flúor y oxígeno . En concreto, predijo la existencia del hexafluoruro de criptón ( Kr F 6 ) y del hexafluoruro de xenón ( Xe F 6 ), especuló que el XeF 8 podría existir como un compuesto inestable y sugirió que el ácido xénico formaría sales de perxenato . [3] [4] Estas predicciones resultaron bastante precisas, aunque las predicciones posteriores para el XeF 8 indicaron que no solo sería termodinámicamente inestable, sino también cinéticamente inestable . [5] A fecha de 2022, no se ha fabricado el XeF 8 , aunque se ha observado el anión octafluoroxenato(VI) ( [XeF 8 ] 2− ).
En 1960, todavía no se había sintetizado ningún compuesto con un átomo de gas noble unido covalentemente. [6] El primer informe publicado, en junio de 1962, de un compuesto de gas noble fue obra de Neil Bartlett , quien observó que el hexafluoruro de platino, un compuesto altamente oxidante, ionizaba el O 2 a O+2. Como la energía de ionización de O 2 a O+2(1165 kJ mol −1 ) es casi igual a la energía de ionización de Xe a Xe + (1170 kJ mol −1 ), intentó la reacción de Xe con PtF 6 . Esto produjo un producto cristalino, hexafluoroplatinato de xenón , cuya fórmula se propuso como Xe + [PtF 6 ] − . [4] [7] Más tarde se demostró que el compuesto es en realidad más complejo, que contiene tanto [XeF] + [PtF 5 ] − como [XeF] + [Pt 2 F 11 ] − . [8] No obstante, este fue el primer compuesto real de cualquier gas noble.
Los primeros compuestos binarios de gases nobles se informaron más tarde en 1962. Bartlett sintetizó tetrafluoruro de xenón ( XeF 4 ) sometiendo una mezcla de xenón y flúor a alta temperatura. [9] Rudolf Hoppe , entre otros grupos, sintetizó difluoruro de xenón ( XeF 2 ) mediante la reacción de los elementos. [10]
Tras la primera síntesis exitosa de compuestos de xenón , en 1963 se informó sobre la síntesis de difluoruro de criptón ( KrF 2 ) . [11]
En esta sección, los gases nobles no radiactivos se analizan en orden decreciente de peso atómico , lo que generalmente refleja la prioridad de su descubrimiento y la amplitud de la información disponible sobre estos compuestos. Los elementos radiactivos radón y oganesón son más difíciles de estudiar y se analizan al final de la sección.
Después de los estudios iniciales de 1962 sobre XeF 4 y XeF 2 , los compuestos de xenón que se han sintetizado incluyen otros fluoruros ( XeF 6 ), oxifluoruros ( XeOF 2 , XeOF 4 , XeO 2 F 2 , XeO 3 F 2 , XeO 2 F 4 ) y óxidos ( XeO 2 , XeO 3 y XeO 4 ). Los fluoruros de xenón reaccionan con varios otros fluoruros para formar fluoroxenatos, como octafluoroxenato de sodio (VI) ( (Na + ) 2 [XeF 8 ] 2− ), [ cita requerida ] y sales de fluoroxenonio, como hexafluoroantimoniato de trifluoroxenonio ( [XeF 3 ] + [SbF 6 ] − ). [12]
En términos de otra reactividad de haluros, los excímeros de vida corta de haluros de gases nobles como XeCl 2 o XeCl se preparan in situ y se utilizan en la función de láseres excimer . [13]
Recientemente, [ ¿ cuándo? ] se ha demostrado que el xenón produce una amplia variedad de compuestos del tipo XeO n X 2 donde n es 1, 2 o 3 y X es cualquier grupo electronegativo, como CF 3 , C(SO 2 CF 3 ) 3 , N(SO 2 F) 2 , N(SO 2 CF 3 ) 2 , OTeF 5 , O(IO 2 F 2 ) , etc.; la gama de compuestos es impresionante, similar a la observada con el elemento vecino yodo , que llega a los miles e involucra enlaces entre el xenón y el oxígeno, nitrógeno, carbono, boro e incluso oro, así como ácido perxénico , varios haluros e iones complejos. [ cita requerida ]
El compuesto [Xe 2 ] + [Sb 4 F 21 ] − contiene un enlace Xe–Xe, que es el enlace elemento-elemento más largo conocido (308,71 pm = 3,0871 Å ). [14] Se informa que existen excímeros de vida corta de Xe 2 como parte de la función de los láseres excímeros . [ cita requerida ]
El gas criptón reacciona con el gas flúor en condiciones de forzamiento extremas, formando KrF 2 según la siguiente ecuación:
El KrF 2 reacciona con ácidos Lewis fuertes para formar sales de los cationes [KrF] + y [Kr 2 F 3 ] + . [11] La preparación de KrF 4 informada por Grosse en 1963, utilizando el método de Claasen, se demostró posteriormente que era una identificación errónea. [15]
También se han descrito compuestos de kriptón con enlaces distintos de Kr–F (compuestos con átomos distintos del flúor ). El KrF 2 reacciona con B(OTeF 5 ) 3 para producir el compuesto inestable, Kr(OTeF 5 ) 2 , con un enlace de kriptón- oxígeno . Un enlace de kriptón- nitrógeno se encuentra en el catión [H−C≡N−Kr−F] + , producido por la reacción de KrF 2 con [H−C≡N−H] + [AsF 6 ] − por debajo de −50 °C. [16]
El descubrimiento de HArF se anunció en 2000. [17] [18] El compuesto puede existir en matrices de argón de baja temperatura para estudios experimentales, y también se ha estudiado computacionalmente . [18] El ion hidruro de argón [ArH] + se obtuvo en la década de 1970. [19] Este ion molecular también se ha identificado en la nebulosa del Cangrejo , basándose en la frecuencia de sus emisiones de luz. [20]
Existe la posibilidad de que se pueda preparar una sal sólida de [ArF] + con aniones [SbF 6 ] − o [AuF6]−. [21] [22]
Los iones Ne + , [NeAr] + , [NeH] + y [HeNe] + se conocen a partir de estudios ópticos y espectrométricos de masas. El neón también forma un hidrato inestable. [23] Existe cierta evidencia empírica y teórica de algunos compuestos de helio metaestables que pueden existir a temperaturas muy bajas o presiones extremas. El catión estable [HeH] + se informó en 1925, [24] pero no se consideró un compuesto verdadero ya que no es neutro y no se puede aislar. En 2016, los científicos crearon el compuesto de helio heluro disódico ( Na 2 He ), que fue el primer compuesto de helio descubierto. [25]
El radón no es químicamente inerte, pero su corta vida media (3,8 días para 222 Rn) y la alta energía de su radiactividad dificultan la investigación de su único fluoruro ( RnF 2 ), su óxido reportado ( RnO 3 ) y sus productos de reacción. [26]
Todos los isótopos conocidos del oganesón tienen vidas medias aún más cortas, del orden de los milisegundos, y todavía no se conocen compuestos, [27] aunque se han predicho algunos teóricamente. Se espera que sea incluso más reactivo que el radón, más parecido a un elemento normal que a un gas noble en su química. [28]
Antes de 1962, los únicos compuestos aislados de los gases nobles eran los clatratos (incluidos los hidratos de clatrato ); otros compuestos, como los compuestos de coordinación, solo se observaban por medios espectroscópicos. [4] Los clatratos (también conocidos como compuestos de jaula) son compuestos de gases nobles en los que están atrapados dentro de cavidades de redes cristalinas de ciertas sustancias orgánicas e inorgánicas. Ar, Kr, Xe y Ne [30] pueden formar clatratos con hidroquinona cristalina . Kr y Xe pueden aparecer como huéspedes en cristales de melanoflogita . [31]
Los cristales de helio-nitrógeno ( He(N 2 ) 11 ) se han cultivado a temperatura ambiente a presiones de ca. 10 GPa en una celda de yunque de diamante . [32] El clatrato de argón-hidrógeno sólido ( Ar(H 2 ) 2 ) tiene la misma estructura cristalina que la fase MgZn 2 Laves . Se forma a presiones entre 4,3 y 220 GPa, aunque las mediciones Raman sugieren que las moléculas de H 2 en Ar(H 2 ) 2 se disocian por encima de 175 GPa. Un sólido similar de Kr(H 2 ) 4 se forma a presiones superiores a 5 GPa. Tiene una estructura cúbica centrada en las caras donde los octaedros de criptón están rodeados de moléculas de hidrógeno orientadas aleatoriamente. Mientras tanto, en Xe(H 2 ) 8 sólido los átomos de xenón forman dímeros dentro del hidrógeno sólido . [29]
Se ha postulado que los compuestos de coordinación como Ar·BF3 existen a bajas temperaturas, pero nunca se ha confirmado. [ cita requerida ] También se informó que compuestos como WHe2 y HgHe2 se formaron por bombardeo de electrones, pero investigaciones recientes han demostrado que estos son probablemente el resultado de la adsorción de He en la superficie del metal; por lo tanto, estos compuestos no pueden considerarse verdaderamente compuestos químicos. [ cita requerida ]
Los hidratos se forman comprimiendo los gases nobles en agua, donde se cree que la molécula de agua, un dipolo fuerte, induce un dipolo débil en los átomos de gas noble, lo que da como resultado una interacción dipolo-dipolo. Los átomos más pesados se ven más influenciados que los más pequeños, por lo que se informó que Xe·5.75H 2 O era el hidrato más estable; [33] tiene un punto de fusión de 24 °C. [34] También se ha producido la versión deuterada de este hidrato. [35]
Los gases nobles también 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 se expone a una presión de alrededor de 3 bar de He o Ne, se forman los complejos He@C 60 y Ne@C 60. [36] En estas condiciones, solo una de cada 650.000 jaulas de C 60 se dopó con un átomo de helio ; con presiones más altas (3000 bar), es posible lograr un rendimiento de hasta el 0,1%. También se han obtenido complejos endoédricos con argón , criptón y xenón , así como numerosos aductos de He@C 60. [37]
La mayoría de las aplicaciones de los compuestos de gases nobles son como agentes oxidantes o como un medio para almacenar gases nobles en una forma densa. El ácido xénico es un agente oxidante valioso porque no tiene potencial para introducir impurezas (el xenón simplemente se libera como gas) y, por lo tanto, solo el ozono lo puede igualar en este aspecto. [4] Los perxenatos son agentes oxidantes aún más poderosos. [ cita requerida ] Los oxidantes basados en xenón también se han utilizado para sintetizar carbocationes estables a temperatura ambiente, en solución de SO 2 ClF . [38] [ fuente no primaria necesaria ]
Se han desarrollado sales estables de xenón que contienen proporciones muy altas de flúor en peso (como el heptafluoroxenato de tetrafluoroamonio (VI), [NF 4 ][XeF 7 ] y el octafluoroxenato de tetrafluoroamonio (VI) relacionado [NF 4 ] 2 [XeF 8 ] ), como oxidantes altamente energéticos para su uso como propelentes en cohetería. [39] [ se necesita una fuente no primaria ] [40]
Los fluoruros de xenón son buenos agentes fluorantes. [41]
Los clatratos se han utilizado para la separación de He y Ne de Ar, Kr y Xe, y también para el transporte de Ar, Kr y Xe. [ cita requerida ] (Por ejemplo, los isótopos radiactivos de criptón y xenón son difíciles de almacenar y desechar, y los compuestos de estos elementos pueden manipularse más fácilmente que las formas gaseosas. [4] ) Además, los clatratos de radioisótopos pueden proporcionar formulaciones adecuadas para experimentos que requieren fuentes de tipos particulares de radiación; por lo tanto, el clatrato de 85 Kr proporciona una fuente segura de partículas beta , mientras que el clatrato de 133 Xe proporciona una fuente útil de rayos gamma . [42]
{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )