GAS NOBILI: CARATTERISTICHE, CONFIGURAZIONE, REAZIONI, USI - CHIMICA - 2025

I gas nobili sono un insieme di elementi trovati integrando il gruppo 18 della tavola periodica. Negli anni sono stati anche chiamati gas rari o inerti, entrambi nomi imprecisi; alcuni di loro sono molto abbondanti all'esterno e all'interno del pianeta Terra, e sono anche capaci, in condizioni estreme, di reagire.

I suoi sette elementi costituiscono forse il gruppo più singolare della tavola periodica, le cui proprietà e basse reattività sono impressionanti come quelle dei metalli nobili. Tra loro sfilano l'elemento più inerte (neon), il secondo più abbondante del Cosmo (elio), e il più pesante e instabile (oganeson).

Il bagliore di cinque dei gas nobili in fiale o fiale di vetro. Fonte: Nuovo lavoro Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew.de); immagini singole originali: Jurii, http://images-of-elements.com.

I gas nobili sono le sostanze più fredde in natura; resistere a temperature molto basse prima di condensare. Ancora più difficile è il suo congelamento, poiché le sue forze intermolecolari basate sulla dispersione di Londra e la polarizzabilità dei suoi atomi sono troppo deboli per mantenerle a malapena coesive in un cristallo.

A causa della loro bassa reattività, sono gas relativamente sicuri da immagazzinare e non comportano troppi rischi. Tuttavia, possono spostare l'ossigeno dai polmoni e causare soffocamento se inalati eccessivamente. D'altra parte, due dei suoi membri sono elementi altamente radioattivi e, quindi, mortali per la salute.

La bassa reattività dei gas nobili viene anche utilizzata per fornire reazioni con un'atmosfera inerte; in modo che nessun reagente o prodotto corra il rischio di ossidarsi e di influenzare le prestazioni della sintesi. Ciò favorisce anche i processi di saldatura ad arco elettrico.

D'altra parte, allo stato liquido sono ottimi refrigeranti criogenici che garantiscono le temperature più basse, indispensabili per il corretto funzionamento di apparecchiature ad alta energia, o perché alcuni materiali raggiungano stati di superconduttività.

Caratteristiche dei gas nobili

A destra (evidenziato in arancione), è il gruppo dei gas nobili. Dall'alto in basso: elio (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xeno (Xe) e radon (Rn).

Forse i gas nobili sono gli elementi che condividono le maggiori qualità in comune, sia fisiche che chimiche. Le sue caratteristiche principali sono:

- Sono tutti incolori, inodori e insapore; ma quando sono racchiusi in fiale a bassa pressione e ricevono una scarica elettrica, ionizzano ed emettono luci colorate (immagine in alto).

- Ogni gas nobile ha la propria luce e il proprio spettro.

- Sono specie monoatomiche, le uniche nella tavola periodica che possono esistere nei loro rispettivi stati fisici senza la partecipazione di legami chimici (poiché i metalli sono uniti da legami metallici). Pertanto, sono perfetti per studiare le proprietà dei gas, poiché si adattano molto bene al modello sferico di un gas ideale.

- Sono generalmente gli elementi con i punti di fusione e di ebollizione più bassi; tanto è vero che l'elio non può nemmeno cristallizzare allo zero assoluto senza un aumento della pressione.

- Di tutti gli elementi sono i meno reattivi, anche meno dei metalli nobili.

- Le loro energie di ionizzazione sono le più alte, così come le loro elettronegatività, ammesso che formino legami puramente covalenti.

- I loro raggi atomici sono anche i più piccoli perché sono all'estrema destra di ogni periodo.

I 7 gas nobili

I sette gas nobili sono, dall'alto verso il basso, discendenti attraverso il gruppo 18 della tavola periodica:

-Helio, Lui

-Neon, Ne

-Argon, Ar

-Krypton, Kr

-Xenon, Xe

-Radon, Rn

-Oganeson, Og

Tutti, ad eccezione degli oganeson instabili e artificiali, sono stati studiati per le loro proprietà fisiche e chimiche. Si ritiene che Oganeson, a causa della sua grande massa atomica, non sia nemmeno un gas, ma piuttosto un liquido o solido nobile. Poco si sa del radon, a causa della sua radioattività, relativa all'elio o all'argon.

Configurazione elettronica

Si dice che i gas nobili abbiano il loro guscio di valenza completamente riempito. Tant'è che le loro configurazioni elettroniche servono a semplificare quella di altri elementi utilizzando i loro simboli racchiusi tra parentesi (,,, ecc.). Le sue configurazioni elettroniche sono:

-Elio: 1s ² , (2 elettroni)

-Neon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ , (10 elettroni)

-Argon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ , (18 elettroni)

-Krypton: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ , (36 elettroni)

-Xeno: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶ , (54 elettroni)

-Radon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 4f ¹⁴ 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰ 6s ² 6p ⁶ , (86 elettroni)

L'importante non è ricordarli, ma dettagliare che terminano nel ns ² np ⁶ : l'ottetto di valenza. Allo stesso modo, si apprezza che i suoi atomi abbiano molti elettroni, che a causa della grande forza nucleare effettiva si trovano in un volume minore rispetto a quello degli altri elementi; cioè, i loro raggi atomici sono più piccoli.

Pertanto, i loro raggi atomici elettronicamente densi mostrano una caratteristica chimica condivisa da tutti i gas nobili: sono difficili da polarizzare.

polarizzabilità

I gas nobili possono essere immaginati come sfere di nuvole di elettroni. Scendendo attraverso il gruppo 18, i suoi raggi aumentano e allo stesso modo la distanza che separa il nucleo dagli elettroni di valenza (quelli di ns ² np ⁶ ).

Questi elettroni sentono una forza meno attrattiva dal nucleo, possono muoversi più liberamente; le sfere si deformano più facilmente più sono grandi. Come conseguenza di tali movimenti, compaiono regioni di densità di elettroni bassa e alta: i poli δ + e δ-.

Quando l'atomo di un gas nobile è polarizzato, diventa un dipolo istantaneo capace di indurne un altro all'atomo vicino; vale a dire, siamo di fronte alle forze dispersive di Londra.

Questo è il motivo per cui le forze intermolecolari aumentano dall'elio al radon, riflettendosi nei loro punti di ebollizione crescenti; e non solo, ma aumentano anche le loro reattività.

Man mano che gli atomi diventano più polarizzati, c'è una maggiore possibilità che i loro elettroni di valenza partecipino a reazioni chimiche, dopo di che vengono generati composti di gas nobili.

reazioni

Elio e neon

Tra i gas nobili, i meno reattivi sono l'elio e il neon. Il neon infatti è l'elemento più inerte di tutti, anche se la sua elettronegatività (per la formazione di legami covalenti) supera quella del fluoro.

Nessuno dei suoi composti è noto in condizioni terrestri; tuttavia, nel Cosmo l'esistenza dello ione molecolare HeH ⁺ è abbastanza probabile . Allo stesso modo, quando sono eccitati elettronicamente, sono in grado di interagire con atomi gassosi e formare molecole neutre di breve durata chiamate eccimeri; come HeNe, CsNe e Ne ₂ .

D'altra parte, sebbene non siano considerati composti in senso formale, gli atomi di He e Ne possono dare origine a molecole di Van der Walls; cioè, composti che sono tenuti "insieme" semplicemente da forze dispersive. Ad esempio: Ag ₃ He, HeCO, HeI ₂ , CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ e NeBeCO ₃ .

Allo stesso modo, tali molecole di Van der Walls possono esistere grazie a deboli interazioni dipolari indotte da ioni; ad esempio: Na ⁺ He ₈ , Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ e Cu ⁺ Ne ₁₂ . Si noti che è anche possibile che queste molecole diventino agglomerati di atomi: cluster.

Infine, gli atomi di He e Ne possono essere "intrappolati" o intercalati in complessi endoedrici di fullereni o clatrati, senza reagire; per esempio: ₆₀ , (N ₂ ) ₆ Ne ₇ , He (H ₂ O) ₆ e Ne • NH ₄ Fe (HCOO) ₃ .

Argon e krypton

I gas nobili argon e kripton, poiché più polarizzabili, tendono a presentare più "composti" dell'elio e del neon. Tuttavia, una parte di essi è più stabile e caratterizzabile, poiché hanno una durata di vita più lunga. Tra alcuni di essi c'è HArF, e lo ione molecolare ArH ⁺ , presente nelle nebulose per azione dei raggi cosmici.

Dal krypton inizia la possibilità di ottenere composti in condizioni estreme, ma sostenibili. Questo gas reagisce con il fluoro secondo la seguente equazione chimica:

Kr + F ₂ → KrF ₂

Si noti che il krypton acquisisce un numero di ossidazione di +2 (Kr ²⁺ ) grazie al fluoro. KrF ₂ può infatti essere sintetizzato in quantità commerciabili come agente ossidante e fluorurante.

Argon e krypton possono costituire un ampio repertorio di clatrati, complessi endoedrici, molecole di Van der Walls e alcuni composti in attesa di essere scoperti dopo la loro prevista esistenza.

Xeno e radon

Lo xeno è il re della reattività tra i gas nobili. Forma i composti veramente stabili, commerciabili e caratterizzabili. In effetti, la sua reattività assomiglia a quella dell'ossigeno nelle condizioni adeguate.

Il suo primo composto sintetizzato fu "XePtF ₆ ", nel 1962 da Neil Bartlett. Questo sale in realtà, secondo la letteratura, era costituito da una complessa miscela di altri sali fluorurati di xeno e platino.

Tuttavia, questo è stato più che sufficiente per dimostrare l'affinità tra xeno e fluoro. Tra alcuni di questi composti abbiamo: XeF ₂ , XeF ₄ , XeF ₆ e ^{+ -} . Quando XeF _{6 si} dissolve in acqua, genera un ossido:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

Questo XeO ₃ può originare la specie nota come xenatos (HXeO ₄ ^- ) o acido xenico (H ₂ XeO ₄ ). Xenati sproporzionati rispetto ai perxenati (XeO ₆ ^4- ); e se il mezzo viene poi acidificato, in acido perossenico (H ₄ XeO ₆ ), che viene disidratato a xenon tetrossido (XeO ₄ ):

H ₄ XeO ₆ → 2 H ₂ O + XeO ₄

Il radon dovrebbe essere il più reattivo dei gas nobili; Ma è così radioattivo che difficilmente ha il tempo di reagire prima di disintegrarsi. Gli unici composti che sono stati completamente sintetizzati sono il suo fluoruro (RnF ₂ ) e ossido (RnO ₃ ).

Produzione

Liquefazione dell'aria

I gas nobili diventano più abbondanti nell'Universo mentre scendiamo attraverso il gruppo 18. Nell'atmosfera, tuttavia, l'elio è scarso, poiché il campo gravitazionale della Terra non può trattenerlo, a differenza di altri gas. Ecco perché non è stato rilevato nell'aria ma nel sole.

D'altra parte, ci sono notevoli quantità di argon nell'aria, provenienti dal decadimento radioattivo del radioisotopo ⁴⁰ K. L'aria è la più importante fonte naturale di argon, neon, krypton e xeno del pianeta.

Per produrli, l'aria deve prima essere liquefatta in modo che si condensa in un liquido. Quindi, questo liquido subisce una distillazione frazionata, separando così ciascuno dei componenti della sua miscela (N ₂ , O ₂ , CO ₂ , Ar, ecc.).

A seconda di quanto deve essere bassa la temperatura e l'abbondanza del gas, i suoi prezzi aumentano, classificando lo xeno come il più costoso, mentre l'elio come il più economico.

Distillazione di gas naturale e minerali radioattivi

L'elio, da parte sua, è ottenuto da un'altra distillazione frazionata; ma non dall'aria, ma dal gas naturale, arricchito con elio grazie al rilascio di particelle alfa dal torio radioattivo e minerali di uranio.

Allo stesso modo, il radon "nasce" dal decadimento radioattivo del radio nei suoi rispettivi minerali; ma a causa della loro minore abbondanza e della breve emivita degli atomi di Rn, la loro abbondanza è irrisoria rispetto ai loro congeneri (gli altri gas nobili).

E infine, oganeson è un "gas" nobile altamente radioattivo, ultramassico, prodotto dall'uomo, che può esistere solo brevemente in condizioni controllate all'interno di un laboratorio.

pericoli

Il rischio principale dei gas nobili è che limitano l'uso dell'ossigeno da parte dell'uomo, soprattutto quando viene prodotta un'atmosfera con un'alta concentrazione di essi. Ecco perché non è consigliabile inalarli eccessivamente.

Negli Stati Uniti è stata rilevata un'elevata concentrazione di radon nei suoli ricchi di uranio, che per le sue caratteristiche radioattive potrebbe rappresentare un rischio per la salute.

applicazioni

Industria

L'elio e l'argon vengono utilizzati per creare un'atmosfera inerte per la protezione durante la saldatura e il taglio. Inoltre, vengono utilizzati nella produzione di semiconduttori al silicio. L'elio è usato come gas di riempimento nei termometri.

L'argon, in combinazione con l'azoto, viene utilizzato nella produzione di lampade ad incandescenza. Il krypton miscelato con alogeni, come il bromo e lo iodio, viene utilizzato nelle lampade a scarica. Il neon è usato nelle insegne luminose, mescolato con fosfori e altri gas per tingere il suo colore rosso.

Lo xeno viene utilizzato nelle lampade ad arco che emettono una luce simile alla luce del giorno, che vengono utilizzate nei fari delle auto e nei proiettori. I gas nobili vengono miscelati con alogeni per produrre ArF, KrF o XeCl, che vengono utilizzati nella produzione di laser ad eccimeri.

Questo tipo di laser produce una luce ultravioletta a onde corte che produce immagini ad alta precisione e viene utilizzato nella produzione di circuiti integrati. L'elio e il neon sono usati come gas refrigeranti criogenici.

Palloncini e bombole respiratorie

L'elio è usato come sostituto dell'azoto nella miscela di gas respiratori, a causa della sua bassa solubilità nel corpo. Questo evita la formazione di bolle durante la fase di decompressione durante la risalita, oltre ad eliminare la narcosi da azoto.

L'elio ha sostituito l'idrogeno come gas che consente l'elevazione di dirigibili e mongolfiere, perché è un gas leggero e non combustibile.

Medicinale

L'elio viene utilizzato nella produzione dei magneti superconduttori utilizzati nelle apparecchiature di risonanza magnetica nucleare, uno strumento multiuso in medicina.

Krypton è utilizzato nelle lampade alogene utilizzate nella chirurgia laser dell'occhio e nell'angioplastica. L'elio viene utilizzato per facilitare la respirazione nei pazienti asmatici.

Lo xeno è usato come anestetico a causa della sua elevata solubilità lipidica e si pensa che sia l'anestetico del futuro. Lo xeno è utilizzato anche nell'imaging medico polmonare.

Il radon, un gas nobile radioattivo, viene utilizzato nella radioterapia per alcuni tipi di cancro.

Altri

L'argon è utilizzato nella sintesi di composti che sostituiscono l'azoto come atmosfera inerte. L'elio è usato come gas di trasporto nella gascromatografia, così come nei contatori Geiger per misurare la radiazione.

Riferimenti

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