La terminología de estos gases

Anteriormente, se llamaba a estos elementos “gases raros” debido a su baja prevalencia histórica como sustancias químicas. Esta designación se volvió inapropiada después de que se descubriera que el helio constituye el 24% de la materia bariónica del Universo. Además, el argón representa el 0,93% de la atmósfera terrestre a nivel del mar. Por lo tanto, estos gases no son raros.

También se dejó de llamar a estos elementos “gases inertes” desde la sintetización de un millar de compuestos y especies químicas que contienen cada uno de los seis gases nobles. A pesar de esto, la existencia de estas especies a menudo requiere condiciones específicas fuera del equilibrio.

La IUPAC y el Boletín oficial del Ministerio francés de Educación Nacional recomiendan entonces la denominación “gases raros”. Esta designación proviene de la palabra alemana “Edelgas”. El químico Hugo Erdmann inventó este término en 1908 por analogía con los metales nobles.

Las propiedades de los gases nobles

Las interacciones interatómicas de los gases nobles son débiles. Su temperatura de ebullición también es relativamente baja. Todos estos elementos son gases monoatómicos en condiciones normales de temperatura y presión. Por otra parte, el radón es un gas, pero su masa atómica excede la del plomo y del bismuto.

Las temperaturas de fusión y ebullición más bajas que las de los otros gases nobles del helio lo hacen único. También es el único elemento que no puede solidificarse a presión atmosférica. En su caso, se requiere una presión superior a 2,5 MPa a -272,2 °C. Esta sustancia es también la única que presenta el fenómeno de superfluidez.

Las temperaturas de fusión y ebullición de los elementos del grupo 18 aumentan en función de su número atómico. En otras palabras, esto se constata descendiendo a lo largo de su columna en la tabla periódica.

La configuración electrónica de los gases nobles es bastante especial. Se distingue por sus subcapas s y p externas que están completas y que disponen respectivamente de dos y de seis electrones. Ningún electrón de valencia está disponible. Por ello, el enlace químico con otro átomo es imposible en virtud de la regla del octeto. Esto justifica su inercia química. Esta última es más relativa para el kriptón y más aún para el xenón. Se han aislado varios cientos de compuestos de estos elementos. Algunos son estables a temperatura ambiente. El radón también resulta bastante reactivo, lo que ha frenado las investigaciones realizadas sobre él.

Según las simulaciones numéricas, la configuración electrónica del oganesón está afectada por acoplamientos espín-órbita. Esto le proporciona una reactividad química similar a la de la mayoría de los otros elementos. Aquí hay algunos datos numéricos relativos a este elemento con número atómico 118. Provienen de exploraciones numéricas presentadas a título indicativo.

Los gases nobles hasta el xenón tienen varios isótopos estables. En cambio, el radón no posee ninguno. Se trata de un elemento radiactivo. El ₂₂₂Rn es su isótopo más estable con un periodo radiactivo de 3,8 días. Por desintegración α de éste, se puede obtener polonio 218 que finalmente da plomo.

A medida que descendemos a lo largo de la 18^a columna de la tabla periódica, el radio atómico de los gases nobles aumenta. Esto se explica por el creciente número de subcapas electrónicas. Gracias al tamaño de estos átomos, es posible determinar varias de sus propiedades. Por ello, cuando el radio atómico aumenta, el potencial de ionización decrece. Como los electrones de valencia se alejan del núcleo, interactúan por tanto cada vez menos profundamente con éste.

Entre los elementos de cada período, el potencial de ionización de los del grupo 18 es el mayor. Esto refleja la estabilidad de su configuración electrónica que se distingue por la saturación de su capa de valencia.

La baja reactividad química de estos elementos explica el valor de su potencial de ionización. La energía de ionización de los gases nobles más pesados se vuelve similar a la de otros elementos de ciertas moléculas.

Esta observación se basa en el hecho de que la energía de ionización del xenón es del mismo orden que la de la molécula de oxígeno O₂. Esto llevó a Neil Bartlett a intentar oxidar el xenón con hexafluoruro de platino (PtF₆). En efecto, este último es conocido por su capacidad para oxidar el oxígeno. El experimento permitió sintetizar el hexafluoroplatinato de xenón que es el primer compuesto conocido de xenón.

Los gases nobles no son capaces de formar aniones estables. En efecto, no son aceptores de electrones. Además, su afinidad electrónica es negativa.

Las débiles fuerzas de van der Waals entre los átomos dominan las propiedades macroscópicas de este tipo de gases. Esta fuerza atractiva crece a medida que el tamaño de los átomos aumenta. En efecto, su polarizabilidad se incrementa y su potencial de ionización disminuye. Por otra parte, cuanto más se desciende a lo largo de la columna, más aumentan las temperaturas de fusión y ebullición. Lo mismo ocurre con la entalpía de vaporización y con la solubilidad.

En condiciones normales de temperatura y presión, se pueden considerar los gases nobles como gases perfectos. Sin embargo, se ha podido obtener información esencial para el estudio de las interacciones intermoleculares. Esto se hizo con las desviaciones observadas respecto a la ley de los gases perfectos. John Lennard-Jones dedujo su potencial de Lennard-Jones, que sirve para modelar las interacciones intermoleculares. Los datos experimentales sobre el argón jugaron un papel importante en este marco. Esto ocurrió antes de que la mecánica cuántica se desarrollara y proporcionara herramientas para entenderlos. Los análisis de estas interacciones resultaron relativamente fáciles. Los gases nobles son sobre todo monoatómicos con átomos esféricos. Así, las interacciones entre átomos son independientes de sus direcciones. Son por tanto “isótropas”.

Los gases nobles y sus compuestos

Los científicos estudian experimentalmente la química de los gases nobles desde los años sesenta. Además de esto, están los trabajos de Neil Bartlett sobre el hexafluoroplatinato de xenón. Entre todos los gases del grupo 18, el Xe es el más reactivo si no contamos el Rn. En efecto, este último es demasiado radiactivo, lo que impide su estudio en detalle. Forma una multitud de óxidos y fluoruros de xenón con estados de oxidación 2, 4, 6 y 8:

•  Con el estado de oxidación +2, tenemos difluoruro de xenón (XeF₂).
• Con el estado de oxidación +4, se obtiene tetrafluoruro de xenón (XeF₄), oxidifluoruro de xenón (XeOF₂) y dióxido de xenón (XeO₂).
• Con el estado de oxidación +6, podemos tener hexafluoruro de xenón (XeF₆) o oxitetrafluoruro de xenón (XeOF₄). También conviene citar el dioxidifluoruro de xenón (XeO₂F₂) y el trióxido de xenón (XeO₃).
• Con el estado de oxidación +8, tenemos dioxitetrafluoruro de xenón (XeO₂F₄), trioxidifluoruro de xenón (XeO₃F₂) o tetróxido de xenón (XeO₄).

Los trióxido (XeO₃) y tetróxido (XeO₄) tienen la propiedad de ser solubles en agua. En este marco, pueden dar dos oxoácidos. Se trata del ácido xénico (H₂XeO₄) y del ácido perxénico (H₄XeO₆). Gracias a este último, se pueden obtener perxenatos. Tenemos especialmente el perxenato de sodio (Na₄XeO₆), el perxenato de potasio (K₄XeO₆) y el perxenato de bario (Ba₄XeO₆).

Hasta los años ochenta, la mayoría de los compuestos de Xe producidos combinaban flúor, oxígeno y xenón. Sin embargo, también estaban presentes otros elementos como el hidrógeno y el carbono. En general, éstos estaban asociados a átomos electronegativos de oxígeno o de flúor.

En la Universidad de Helsinki, Markku Räsänen dirige un equipo y publica en 1995 la síntesis de diversos compuestos de xenón. Se trata del dihidruro de xenón (XeH₂), del hidroxihidruro de xenón HXeOH, del hidroxenoacetileno HXeCCH, etc.

Tras esto, Khriatchev publicó la síntesis del compuesto HXeOXeH. Esto se hizo gracias a una fotólisis de agua en una matriz de xenón criogénica. También declaró los deuterados HXeOD y DXeOD.

Se cuentan más de un millar de componentes del Xe. Presentan enlaces entre éste y el carbono, el cloro, el nitrógeno, el mercurio o el oro. También se ha podido observar esto con otros elementos en condiciones extremas. En este caso, entre el xenón y el hidrógeno, el boro, el berilio, el yodo, el azufre, el bromo, el titanio, la plata o el cobre. Entre los compuestos más excepcionales del xenón, podemos encontrar el complejo que forma con el oro.

El equipo alemán de Konrad Seppelt caracteriza el catión tetraxenón-oro AuXe₄²⁺ en el complejo AuXe₄²⁺(Sb₂F₁₁^–)₂.

En general, la química de los gases nobles concierne a la del xenón. Sin embargo, se pueden encontrar compuestos químicos con diversos otros gases. Por un lado, el trióxido de radón RnO₃ y el difluoruro de radón RnF₂ forman parte de ellos. Por otro lado, el kriptón puede formar difluoruro de kriptón KrF₂ y dar cationes KrF⁺ y Kr₂F₃⁺. Los gases más ligeros del grupo 18 pueden, en cambio, formar excipléxes. Estas moléculas son estables, únicamente en estado excitado. Se utilizan en láseres (especialmente los láseres de excímero). También existe una multitud de iones moleculares de gases nobles. Algunos son menos reactivos entre sí como el neón con sus iones HNe⁺, HeNe⁺, Ne²⁺ y NeAr⁺.

También se utilizan los gases nobles en diferentes situaciones que requieren una atmósfera químicamente inerte. Por ejemplo, el argón se utiliza en la síntesis de compuestos sensibles al nitrógeno atmosférico. El argón sólido inmoviliza las moléculas muy inestables en una matriz sólida a temperatura relativamente baja. Esto también impide los contactos y las reacciones de descomposición. Resulta entonces más fácil estudiar las moléculas. Se utiliza el helio en cromatografía en fase gaseosa para rellenar los termómetros de gas y los aparatos de medida de la radiactividad. Se trata especialmente de los contadores Geiger y de las cámaras de burbujas. El helio y el argón contribuyen principalmente a aislar los metales de la atmósfera en el corte o la soldadura por arco eléctrico. También se solicitan en la producción de silicio por la industria de los semiconductores y para numerosos otros procesos metalúrgicos.

Debido a su inercia química, los gases nobles sirven también frecuentemente en la iluminación. Se mezcla especialmente el argón con el nitrógeno para rellenar las bombillas de las lámparas incandescentes. Previene la oxidación del filamento de tungsteno. Paralelamente, reduce la redeposición de este último sublimado en las paredes de la bombilla.

El kriptón, por su parte, reduce la tasa de evaporación del filamento de las bombillas de alto rendimiento. Así, se puede obtener una temperatura de color más elevada y un mejor rendimiento energético. Las lámparas halógenas usan una mezcla en pequeñas cantidades de kriptón así como de compuestos de bromo y de yodo.

Como los gases nobles brillan con colores particulares, se utilizan en las lámparas de descarga, incluidos los tubos de neón. A pesar de su denominación, estas lámparas se componen principalmente de diversos otros gases que de Ne como sustancia fosforescente. Esto añade numerosos tonos al color rojo anaranjado del neón.

Se utiliza el Xe en las lámparas de xenón, ya que su espectro casi continuo es similar a la luz del día. Este tipo de lámpara sirve entonces como proyector de cine y faro de automóvil.

Los gases nobles se utilizan también para la realización de láseres de excímeros. El principio se basa en la excitación electrónica de moléculas. Esto permite formar excímeros. Se trata a menudo de dímeros tales como el Ar₂, el Kr₂ y el Xe₂. También pueden ser especies halógenas, incluyendo el ArF, el KrF, el XeF o el XeCl. Las luces producidas por estos láseres son de color ultravioleta. Disponen de una longitud de onda baja (193 nm para ArF y 248 nm para KrF). Esto permite realizar imágenes de alta resolución.

En la industria, en medicina y en la ciencia, se utilizan los láseres de excímeros para numerosos fines. Estos últimos pueden por ejemplo ser la microlitografía o la microfabricación. En este marco, los láseres ayudan a realizar circuitos integrados y contribuyen a la cirugía láser (angioplastia y cirugía ocular). En medicina, es posible aprovechar una aplicabilidad directa de ciertos gases nobles. El helio facilita la respiración de las personas asmáticas. El xenón sirve como anestesia debido a su elevada solubilidad en los lípidos. Es especialmente más eficaz que el protóxido de nitrógeno N₂O. El organismo puede eliminarlo fácilmente y la recuperación es más rápida. También se usa el xenón en imagen médica de los pulmones por IRM hiperpolarizada. En cuanto al radón, solo está disponible en pequeñas cantidades, pero se utiliza en radioterapia.