GAZELE NOBILE: CARACTERISTICI, CONFIGURARE, REACȚII, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Cele Gazele nobile sunt un set de elemente găsite prin integrarea grupa 18 a tabelului periodic. De-a lungul anilor au fost numite și gaze rare sau inerte, ambele denumiri inexacte; unele dintre ele sunt foarte abundente în afara și pe interiorul planetei Pământ și sunt, de asemenea, capabile să reacționeze.

Cele șapte elemente ale sale constituie, probabil, cel mai unic grup din tabelul periodic, ale cărui proprietăți și reactivități scăzute sunt la fel de impresionante ca cele ale metalelor nobile. Printre ele, desfășoară cel mai inert element (neonul), al doilea cel mai abundent din Cosmos (heliu) și cel mai greu și cel mai instabil (oganeson).

Strălucirea a cinci dintre gazele nobile din flacoane de sticlă sau fiole. Sursa: Noua lucrare Alchemist-hp (discuție) www.pse-mendelejew.de); Imagini unice originale: Jurii, http://images-of-elements.com.

Gazele nobile sunt cele mai reci substanțe din natură; rezista la temperaturi foarte scăzute înainte de condensare. Și mai dificilă este înghețarea sa, deoarece forțele sale intermoleculare bazate pe împrăștierea londoneză și polarizabilitatea atomilor săi sunt prea slabe pentru a le menține coezive într-un cristal.

Datorită reactivității scăzute, acestea sunt gaze relativ sigure pentru stocare și nu prezintă prea multe riscuri. Cu toate acestea, pot îndepărta oxigenul din plămâni și pot provoca sufocare dacă sunt inhalate excesiv. Pe de altă parte, doi dintre membrii săi sunt elemente extrem de radioactive și, prin urmare, mortale pentru sănătate.

Reactivitatea scăzută a gazelor nobile este utilizată și pentru a furniza reacții cu o atmosferă inertă; astfel încât niciun reactiv sau produs nu prezintă riscul de oxidare și de a afecta performanța sintezei. Acest lucru favorizează, de asemenea, procesele de sudare cu arc electric.

Pe de altă parte, în stările lor lichide sunt agenți frigorifici criogeni excelenți care garantează cele mai scăzute temperaturi, esențiale pentru funcționarea corectă a echipamentelor cu un grad ridicat de energie sau pentru ca unele materiale să ajungă la stări supraconductoare.

Caracteristicile gazelor nobile

În partea dreaptă (evidențiată în portocaliu), se află grupul de gaze nobile. De sus în jos: Heliu (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe) și radon (Rn).

Poate că gazele nobile sunt elementele care au cele mai multe calități în comun, atât fizice, cât și chimice. Principalele sale caracteristici sunt:

- Toate sunt incolore, inodore și fără gust; dar când sunt închise în fiole la presiuni scăzute și primesc un șoc electric, ele ionizează și emite lumini colorate (imaginea de sus).

- Fiecare gaz nobil are propria lumină și spectru.

- Sunt specii monatomice, singurele din tabelul periodic care pot exista în stările lor fizice respective, fără participarea legăturilor chimice (deoarece metalele sunt unite prin legături metalice). Prin urmare, sunt perfecte pentru studierea proprietăților gazelor, deoarece se adaptează foarte bine la modelul sferic al unui gaz ideal.

- Sunt în general elementele cu cele mai mici puncte de topire și fierbere; atât de mult, încât heliul nu se poate cristaliza nici la zero absolut fără o creștere a presiunii.

- Dintre toate elementele, acestea sunt cele mai puțin reactive, chiar mai puțin decât metalele nobile.

- Energiile lor de ionizare sunt cele mai mari, precum și electronegativitățile lor, presupunând că formează legături pur covalente.

- Razele lor atomice sunt, de asemenea, cele mai mici, deoarece sunt la extremă dreapta a fiecărei perioade.

Cele 7 gaze nobile

Cele șapte gaze nobile coboară, de sus în jos, prin grupa 18 a tabelului periodic:

-Helio, He

-Neon, Ne

-Aggon, Ar

-Krypton, Kr

-Xenon, Xe

-Radon, Rn

-Oganeson, Og

Toate, cu excepția oganesonului instabil și artificial, au fost studiate pentru proprietățile lor fizice și chimice. Oganeson, datorită masei sale atomice mari, se crede că nu este chiar un gaz, ci mai degrabă un lichid nobil sau solid. Se știe puțin despre radon, din cauza radioactivității sale, în raport cu heliu sau argon.

Configurație electronică

S-a spus că gazele nobile au carcasa de valență complet umplută. Atât de mult, încât configurațiile lor electronice sunt utilizate pentru a simplifica cea a altor elemente, folosind simbolurile lor închise între paranteze (,, etc.). Configurațiile sale electronice sunt:

-Heliu: 1s ² , (2 electroni)

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

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

-Kripton: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ , (36 electroni)

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

-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 electroni)

Important este să nu le amintim, ci să detaliem că acestea se termină în ns ² np ⁶ : octetul de valență. De asemenea, se apreciază că atomii săi au mulți electroni, care datorită marii forțe nucleare efective sunt într-un volum mai mic comparativ cu cel al celorlalte elemente; adică razele lor atomice sunt mai mici.

Prin urmare, razele lor atomice dense electronice prezintă o caracteristică chimică pe care o au toate gazele nobile: sunt greu de polarizat.

polarizabilitatea

Gazele nobile pot fi imaginate ca sfere ale norilor de electroni. În timp ce coboară prin grupul 18, razele sale cresc și, în același mod, distanța care separă nucleul de electronii de valență (cei ai ns ² np ⁶ ).

Acești electroni simt o forță mai puțin atractivă de către nucleu, se pot mișca mai liber; sferele se deformează mai ușor cu cât sunt mai mari. Ca urmare a acestor mișcări, apar regiuni cu densități mici și mari de electroni: polii δ + și δ-.

Când atomul unui gaz nobil este polarizat, acesta devine un dipol instantaneu capabil să inducă un altul la atomul vecin; adică suntem în fața forțelor dispersive ale Londrei.

De aceea, forțele intermoleculare cresc de la heliu la radon, reflectate în punctele lor de fierbere în creștere; și nu numai asta, dar și reactivitățile lor sunt crescute.

Pe măsură ce atomii devin mai polarizați, există o posibilitate mai mare ca electronii lor de valență să participe la reacții chimice, după care sunt generați compuși de gaz nobil.

reacţii

Heliu și neon

Printre gazele nobile, cele mai puțin reactive sunt heliul și neonul. De fapt, neonul este elementul cel mai inert dintre toate, chiar dacă electronegativitatea sa (de la formarea legăturilor covalente) o depășește pe cea a fluorului.

Niciunul dintre compușii săi nu este cunoscut în condiții terestre; cu toate acestea, în Cosmos existența ionului molecular HeH ⁺ este destul de probabilă . De asemenea, atunci când sunt excitați electronic, sunt capabili să interacționeze cu atomii gazoși și să formeze molecule neutre de scurtă durată numite excimeri; precum HeNe, CsNe și Ne ₂ .

Pe de altă parte, deși nu sunt considerați compuși într-un sens formal, atomii de He și Ne pot da naștere moleculelor Van der Walls; adică compuși care sunt ținuți „împreună” pur și simplu de forțe dispersive. De exemplu: Ag ₃ He, HeCO, HeI ₂ , CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ și NeBeCO ₃ .

În mod similar, astfel de molecule Van der Walls pot exista datorită interacțiunilor dipole induse de ioni slabe; de exemplu: Na ⁺ He ₈ , Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ și Cu ⁺ Ne ₁₂ . Rețineți că este chiar posibil ca aceste molecule să devină aglomerate de atomi: ciorchini.

Și în final, atomii de He și Ne pot fi „prinși” sau intercalați în complexe endoedrice de fullereni sau clatrați, fără a reacționa; de exemplu: ₆₀ , (N ₂ ) ₆ Ne ₇ , El (H ₂ O) ₆ și NE • NH ₄ Fe (HCOO-) ₃ .

Argon și kripton

Gazele nobile argonul și kriptonul, deoarece sunt mai polarizabile, tind să prezinte mai mulți „compuși” decât heliu și neon. Cu toate acestea, o parte dintre ele sunt mai stabile și caracterizabile, deoarece au o durată de viață mai lungă. Printre unii dintre ei este HArF, și ionul molecular ArH ⁺ , prezent în nebuloase prin acțiunea razelor cosmice.

De la kripton începe posibilitatea obținerii compușilor în condiții extreme, dar durabile. Acest gaz reacționează cu fluorul conform următoarei ecuații chimice:

Kr + F ₂ → KrF ₂

Rețineți că kriptonul achiziționează un număr de oxidare de +2 (Kr ²⁺ ) datorită fluorului. KrF ₂ poate fi de fapt sintetizat în cantități comercializabile ca agent oxidant și fluorinant.

Argonul și kriptonul pot stabili un repertoriu larg de clatrate, complexe endoedrice, molecule Van der Walls și unii compuși care așteaptă descoperirea după existența lor prevăzută.

Xenon și radon

Xenon este regele reactivității dintre gazele nobile. Formează compușii cu adevărat stabili, comercializabili și caracterizabili. De fapt, reactivitatea sa seamănă cu cea a oxigenului în condiții adecvate.

Primul său compus sintetizat a fost "XePtF ₆ ", în 1962 de Neil Bartlett. Această sare, în conformitate cu literatura de specialitate, a constat dintr-un amestec complex de alte săruri fluorurate de xenon și platină.

Cu toate acestea, acest lucru a fost mai mult decât suficient pentru a demonstra afinitatea dintre xenon și fluor. Printre unii dintre acești compuși avem: XeF ₂ , XeF ₄ , XeF ₆ și ^{+ -} . Când XeF _{6 se} dizolvă în apă, generează un oxid:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

Acest XeO ₃ poate provoca speciile cunoscute sub numele de xenatos (HXeO ₄ ^- ) sau acid xenic (H ₂ XeO ₄ ). Xenates disproporționate față de perxenate (XeO ₆ ^4- ); iar în cazul în care mediul este acidulat apoi în acid peroxenic (H ₄ XEO ₆ ), care este deshidratat la xenon osmiu (XEO ₄ ):

H ₄ XEO ₆ → 2 H ₂ O + XEO ₄

Radonul ar trebui să fie cel mai reactiv dintre gazele nobile; Dar este atât de radioactiv, încât abia are timp să reacționeze înainte de a se dezintegra. Singurii compuși care au fost sintetizați complet sunt fluorul (RnF ₂ ) și oxidul (RnO ₃ ).

producere

Lichefierea aerului

Gazele nobile devin mai abundente în Univers pe măsură ce coborâm prin grupul 18. În atmosferă, totuși, heliul este rar, deoarece câmpul gravitațional al Pământului nu îl poate reține spre deosebire de alte gaze. De aceea nu a fost detectat în aer, ci în Soare.

Pe de altă parte, în aer există cantități considerabile de argon, care provin din descompunerea radioactivă a radioizotopului ⁴⁰ K. Aerul este cea mai importantă sursă naturală de argon, neon, kripton și xenon de pe planetă.

Pentru a le produce, aerul trebuie mai întâi lichefiat astfel încât să se condenseze într-un lichid. Apoi, acest lichid este supus unei distilare fracționată, separând astfel fiecare dintre componentele amestecului său (N ₂ , O ₂ , CO ₂ , Ar, etc.).

În funcție de cât de scăzută trebuie să fie temperatura și abundența gazelor, prețurile sale cresc, clasificând xenonul drept cel mai scump, în timp ce heliul este cel mai ieftin.

Distilarea gazelor naturale și a mineralelor radioactive

Heliul, din partea sa, este obținut dintr-o altă distilare fracțională; dar nu din aer, ci din gazul natural, îmbogățit cu heliu datorită eliberării particulelor alfa din toriu radioactiv și minerale de uraniu.

De asemenea, radonul se „naște” din descompunerea radioactivă a radiumului în mineralele sale respective; dar datorită abundenței lor mai reduse și a perioadei de înjumătățire scurtă a atomilor Rn, abundența lor este derizorie în comparație cu cea a congenerilor lor (celelalte gaze nobile).

Și în sfârșit, oganesonul este un „gaz” nobil, extrem de radioactiv, ultramassic, creat de om, care poate exista doar pe scurt în condiții controlate în cadrul unui laborator.

pericolele

Principalul risc al gazelor nobile este că acestea limitează utilizarea oxigenului de către om, mai ales atunci când se produce o atmosferă cu o concentrație mare a acestora. De aceea nu este recomandat să le inhalezi excesiv.

În Statele Unite, a fost detectată o concentrație mare de radon în solurile bogate în uraniu, care datorită caracteristicilor sale radioactive ar putea fi un risc pentru sănătate.

Aplicații

Industrie

Heliul și argonul sunt utilizate pentru a crea o atmosferă inertă pentru protecție în timpul sudării și tăierii. În plus, sunt utilizate la fabricarea semiconductorilor de siliciu. Heliumul este utilizat ca gaz de umplere în termometre.

Argonul, în combinație cu azotul, este utilizat la fabricarea lămpilor cu incandescență. Krypton amestecat cu halogeni, cum ar fi brom și iod, este utilizat în lămpile cu descărcare. Neonul este folosit în semne de lumină, amestecat cu fosfori și alte gaze pentru a-și nuanța culoarea roșie.

Xenon este utilizat în lămpile cu arc care emit lumină care seamănă cu lumina zilei, care sunt utilizate în farurile și proiectoarele auto. Gazele nobile sunt amestecate cu halogeni pentru a produce ArF, KrF sau XeCl, care sunt utilizate la producerea de lasere excimere.

Acest tip de laser produce o lumină ultravioletă cu undă scurtă care produce imagini de înaltă precizie și este utilizată la fabricarea circuitelor integrate. Heliul și neonul sunt utilizate ca gaze refrigerante criogenice.

Baloane și rezervoare de respirație

Heliul este utilizat ca substitut pentru azot în amestecul de gaze respiratorii, datorită solubilității sale reduse în organism. Acest lucru evită formarea de bule în faza de decompresie în timpul ascensiunii, pe lângă eliminarea narcozei de azot.

Heliul a înlocuit hidrogenul ca gazul care permite ridicarea aeronavelor și a baloanelor cu aer cald, deoarece este un gaz ușor și incombustibil.

Medicament

Heliul este utilizat la fabricarea magneților supraconductori folosiți în echipamentele de rezonanță magnetică nucleară - un instrument polivalent în medicină.

Krypton este utilizat în lămpile cu halogen utilizate în chirurgia cu ochi cu laser și angioplastie. Heliul este utilizat pentru a facilita respirația la pacienții astmatici.

Xenonul este utilizat ca anestezic datorită solubilității sale ridicate în lipide și este considerat a fi anestezicul viitorului. Xenon este utilizat și în imagini medicale pulmonare.

Radonul, un gaz nobil radioactiv, este utilizat în radioterapia pentru unele tipuri de cancer.

Alții

Argonul este utilizat în sinteza compușilor care substituie azotul ca atmosferă inertă. Heliul este utilizat ca gaz purtător în cromatografia gazelor, precum și în contoarele Geiger pentru a măsura radiațiile.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck și Stanley. (2008). Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Învățare.
3. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (06 iunie 2019). Proprietăți, utilizări și surse de gaze nobile. Recuperat de la: thinkco.com
4. Wikipedia. (2019). Gaz nobil. Recuperat de la: en.wikipedia.org
5. Philip Ball. (2012, 18 ianuarie). Chimie imposibilă: Forțarea gazelor nobile să funcționeze. Recuperat de la: newscientist.com
6. Profesoara Patricia Shapley. (2011). Chimie cu gaze nobile. Recuperat din: butane.chem.uiuc.edu
7. Gary J. Schrobilgen. (28 februarie 2019). Gaz nobil. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com