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Definición de Elementos del Grupo 18: gases nobles

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 [Química]

Conjunto de elementos incluidos en el Grupo 18 de la tabla periódica (anteriormente en el grupo VIIIA de la IUPAC y de CAS), que se caracterizan por tener completa su última capa electrónica. Son helio (He), neón (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe) y radón (Rn). Sus estructuras electrónicas son extremadamente estables, como lo demuestran las altas entalpías de ionización, especialmente en los miembros más ligeros.

Todos tienen configuraciones electrónicas completas ns²np6 excepto el helio, cuyo número atómico es 2 y su configuración, por tanto, es 1s². Entre los átomos de estos elementos no existen prácticamente interacciones, son sustancias monoatómicas y sólo presentan interacciones debidas a fuerzas de Van der Waals, directamente proporcionales al tamaño de los átomos, y por eso al descender en el grupo aumenta la densidad. Este grupo de elementos tiene un interés especial.

Es de destacar que el helio fue descubierto en el Sol antes que en la Tierra, mediante una línea amarilla en su espectro de emisión. En la Tierra se desprende de algunos minerales de uranio y acompaña al gas natural en algunos yacimientos. Se utiliza para llenar globos, pues aunque no es tan ligero como el hidrógeno presenta la gran ventaja de no ser inflamable. En mezcla con O2 forma un aire especial utilizable para la respiración de buzos; así se evita el peligro de que, cuando el buzo suba a la superficie, se desprendan burbujas de N2 disuelto en la sangre, que podrían producir embolias.

El más abundante de los gases nobles es el Ar, que se encuentra en el aire en una proporción aproximada de un 1% en volumen.

Durante todo el siglo XIX, los químicos habían analizado prácticamente todos los materiales de la corteza en busca de nuevos elementos. Sin embargo, a finales de siglo, se encontraron con la sorpresa de que no conocían bien la composición del aire y que en este gas había cinco elementos nuevos, los cinco primeros gases nobles. Este descubrimiento se realizó en 1.895 (por lord Rayleigh y sir W. Ramsay) y el punto de partida fue la observación de que el N2 obtenido del aire era algo más denso que el obtenido por descomposición del nitrito amónico según la reacción

NH4NO2  N2 + 2 H2O

Lord Rayleigh pensó que esto se explicaba si el N2 obtenido del aire estaba acompañado por algún elemento nuevo más denso. El último gas noble, el radón, se encuentra acompañando al Ra, pues resulta de su desintegración radiactiva. El Ar se utiliza en las bombillas de incandescencia para evitar la evaporación y rotura del filamento. El Ne se usa en los tubos de anuncios luminosos. El Rn por su radiactividad se utiliza para combatir tumores, al igual que el Ra.

Propiedades físicas

El He es el gas con punto de ebullición más bajo. Para licuarlo hay que enfriar hasta 4,2 K. Le sigue el H2, y a continuación el Ne, a 27,2 K. El punto de ebullición del argón es muy bajo pero no excepcional, pues del mismo orden son los de otros gases que no son de este grupo (Ar 87,3° K, N2 77,4° K, F2 85,2°K). Al aumentar el número atómico, los puntos de ebullición crecen. También los puntos de fusión son naturalmente muy bajos. El He solidifica a 1,1° K, a la presión de 25 atmósferas. En todos ellos el intervalo de temperaturas en que permanecen líquidos es muy pequeño, de unos 4 grados.

La trasformación entre estados gas a líquido y líquido a sólido supone una atracción entre las moléculas. Los datos que hemos dado demuestran que las moléculas de los gases nobles ejercen entre sí fuerzas de atracción extraordinariamente débiles.

Propiedades químicas

Químicamente los átomos de He no se enlazan con ningún otro para formar compuestos. La molécula de He y de los demás gases nobles es monoatómica. Hasta 1962 no se había preparado ningún compuesto de los gases nobles. Desde esa fecha se han obtenido algunos de Kr, Xe, Rn con F, pero se trata de combinaciones muy inestables que se descomponen fácilmente, dejando al gas noble en libertad. La consecuencia que se deduce de este comportamiento químico es que los átomos de los gases nobles deben ser extraordinariamente estables, que se demuestra con las altas entalpías de ionización, especialmente en los miembros más ligeros.

Algunas propiedades de los gases nobles:

He Ne Ar Kr Xe Rn
————————————————————
Peso atómico 4,002 20,179 39,948 83,80 131,30 222
Densidad (gr/cc) 0,126 1,20 1,40 2,60 3,06 -
Vol. at.(cc) 31,8 16,81 28,5 32,2 42,9 -
Pto. fus. (K) 2,0 24,55 83,75 115,85 161,25 202
Pto. eb. (K) 4,21 27,09 87,29 119,8 165,02 211
1er PI (ev) 24,58 21,56 15,76 14,00 12,13 10,75
E npn+1)s 19,8 16,6 11,5 9,9 8,3 6,8

Sus puntos de fusión y ebullición son especialmente bajos: en condiciones ordinarias su estado es gaseoso, y las únicas fuerzas responsables de la estabilidad de sus redes sólidas o líquidas son fuerzas de Van der Waals. Al descender en el grupo aumentan los valores pues en este sentido también aumentan las fuerzas de Van der Waals.

Sus potenciales de ionización son muy elevados, pues son elementos muy estables con la última capa electrónica completa y se necesita mucha energía para arrancarles un electrón de valencia.

Su reactividad es prácticamente nula, ni siquiera en el caso más favorable se forma un catión del gas noble, pero un átomo se puede combinar sin arrancar un electrón, y basta promocionar algún electrón a un nivel cuántico superior para disponer de electrones desapareados en orbitales que, a través de una hibridación, puedan dar lugar a enlaces covalentes.

1 2
ns2np6  ns2np5 (n+1)s  enlaces covalentes

1. Promoción de un electrón de la capa np a la capa (n+1)s
2. Hibridación

Aunque los gases nobles presentan una reactividad muy reducida sí son capaces de intervenir en determinadas combinaciones. Hoy en día se conoce perfectamente la química de los más pesados (Kr y Xe) que reaccionan sólo frente a elementos muy electronegativos como F y O, y se conoce alguna combinación con el Cl; no se conoce ninguna combinación de los tres más ligeros (He, Ne y Ar) y el Rn, que debería ser el más reactivo, no se puede estudiar pues la vida media de su isótopo de mayor duración, 222Rn, es de solo 3.825 días.

Destaca una característica especial del He y es que no tiene punto triple, es decir, es la única sustancia conocida que no tiene ninguna combinación de temperatura y presión en la que el sólido, el líquido y el gas coexistan en equilibrio. Es también el único que no se puede solidificar a la presión atmosférica.

Obtención y aplicaciones

Los gases nobles están presentes en la atmósfera en proporciones relativamente pequeñas, pero como el volumen de atmósfera es tan grande, la fuente es inagotable. El Ne, Ar, Kr y Xe se obtienen como productos de la destilación fraccionada del aire líquido. El He se obtiene de ciertos minerales radiactivos que lo contienen ocluido y lo liberan por calentamiento. Todos los isótopos del Rn salen de la serie de desintegración radiactiva.

Los gases se usan principalmente en soldaduras (el Ar suministra una atmósfera inerte), en focos eléctricos llenos de gas, en válvulas de radio y en tubos de descarga. El Rn se ha usado terapéuticamente en el tratamiento del cáncer. El He líquido se usa mucho en criogenia y como un gas inerte protector en reacciones químicas. Las cantidades de He y Ar formadas en la desintegración radiactiva de los minerales se pueden usar para determinar la edad del espécimen.

Combinaciones químicas

Se descartan las combinaciones iónicas, pues no se conoce el catión. Son todas covalentes donde el gas noble promociona, e híbridas.

Fluoroderivados

Se han aislado combinaciones de F y Xe,

Xe + F2  XeF2  XeF4  XeF6,

equilibrios desplazados a la derecha. Según las proporciones de F o Xe se obtendrá uno u otro compuesto. Físicamente son sólidos incoloros, subliman fácilmente y en ausencia de humedad se mantienen indefinidamente inalterados. Son excelentes agentes fluorantes pues son oxidantes intensos. Se hidrolizan fácilmente; éste es el camino de entrada para la preparación de los oxoderivados.

Oxoderivados

El trióxido de xenón es un sólido delicuescente altamente explosivo. El tetraóxido de Xn es un gas altamente inestable y explosivo. El único compuesto en el que el XeIV está enlazado exclusivamente con el oxígeno es el Xe(OTeF5)4. Todas las combinaciones son muy reactivas y son agentes oxidantes intensos.

Temas relacionados

Elementos no metálicos.
Tabla periódica.
Helio.
Neón.
Argón.
Kriptón.
Xenón.
Radón.

Elementos del Grupo 18: gases nobles

Fuente: Britannica

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