Gas nobili

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Gli elementi non metallici classificati nel gruppo 18-elio, neon, argon, krypton, xenon e radon sono chiamati gas nobili. Questi elementi si presentano come specie monoatomiche ed esistono come gas, a temperatura ambiente. Il radon è l'unico elemento radioattivo del gruppo 18.

Spostandosi in basso nel gruppo, gli elementi mostrano un aumento dei punti di ebollizione, della densità e dei raggi atomici, che di conseguenza porta alla diminuzione delle energie di ionizzazione di ogni elemento successivo. Tuttavia, i gas nobili hanno energie di ionizzazione elevate rispetto a tutti gli altri elementi nella tavola periodica;questi elementi hanno infatti, configurazioni elettroniche stabili con ottetti completi. La rimozione di un elettrone richiede l'immissione di una grande quantità di energia, il che è sfavorevole.

I gas nobili hanno anche valori di affinità elettronica positivi, questo significa che è necessaria energia per aggiungere un elettrone ad un atomo gassoso. I gas nobili resistono alle aggiunte di elettroni poiché i loro gusci di valenza sono già completi e l'elettrone in arrivo deve entrare in un guscio quantico principale più elevato. L'elevata stabilità dei gas nobili attesta la loro inerzia chimica, che trova molte applicazioni industriali.

Per esempio, l'argon viene utilizzato per produrre lampadine elettriche piene di gas per prevenire l'ossidazione dei filamenti di tungsteno, prolungando la vita della lampadina. L'elio viene utilizzato per creare un'atmosfera inerte durante la fusione e la saldatura di metalli facilmente ossidabili. Inizialmente si pensava che i gas nobili, chimicamente fossero del tutto non reattivi, quindi, furono chiamati gas inerti.

Tuttavia, nei primi anni Sessanta, Neil Barlett scoprì alcune eccezioni. Per esempio, lo xeno, avente la più bassa energia di ionizzazione dei gas nobili, è risultato reagire con l'elemento più elettronegativo, il fluoro. Il difluoruro di xeno, ottenuto riscaldando un eccesso di gas xeno con gas fluoro, è un materiale stabile e cristallino.

Anche altri composti, come il tetrafluoruro di xeno e l'esafluoruro di xeno, possono essere preparati in modo simile. I composti di xeno con l'elemento elettronegativo ossigeno possono essere prodotti sostituendo gli atomi di fluoro nei fluoruri di xeno con l'ossigeno. Per esempio, l'esafluoruro di xeno reagisce con l'acqua, producendo una soluzione di triossido di xeno.

Overview

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Gli elementi del gruppo 18 sono gas nobili (elio, neon, argon, kripton, xeno e radon). Si sono guadagnati il nome di "nobili" perch si pensava che non fossero reattivi poich avevano i gusci di valenza pieni. Nel 1962, il dottor Neil Bartlett dell’Universit della British Columbia dimostr che questa ipotesi era falsa.

Questi elementi sono presenti nell'atmosfera in piccole quantit. Alcuni gas naturali contengono l'1–2% di elio in massa. L'elio viene isolato dal gas naturale liquefacendo i componenti condensabili, lasciando solo l'elio come gas. Il radon proviene da altri elementi radioattivi. Pi recentemente, stato osservato che questo gas radioattivo presente in quantit molto piccole nel suolo e nei minerali. Il suo accumulo in edifici ben isolati e sigillati costituisce tuttavia un pericolo per la salute, in primo luogo il cancro ai polmoni.

I punti di ebollizione e di fusione dei gas nobili sono estremamente bassi rispetto a quelli di altre sostanze con masse atomiche o molecolari comparabili. Questo perch sono presenti solo le deboli forze di dispersione di London, e queste forze possono tenere insieme gli atomi solo quando il movimento molecolare molto leggero, poich la temperatura molto bassa.

Gli orbitali s e p completi del guscio di valenza aggiungono stabilit ai gas nobili. Questi elementi hanno le energie di prima ionizzazione pi elevate, il che indica che la rimozione di un elettrone difficile. Scendendo nel gruppo, il raggio atomico aumenta e l’energia di ionizzazione diminuisce. I valori di affinit elettronica positiva di questi elementi rivelano che improbabile che anche loro guadagnino elettroni. La tabella 1 riassume le propriet dei gas nobili.

Table 1: Properties of the Noble Gases.

Element	Electron Configuration	Atomic Radius (pm)	IE₁(kJ/mol)	EA (kJ/mol)	Density at STP (g/L)
He	1s²	32	2370	+20	0.18
Ne	[He] 2s²2p⁶	70	2080	−30	0.90
Ar	[Ne] 3s²3p⁶	98	1520	+35	1.78
Kr	[Ar] 4s²4p⁶	112	1350	+40	3.74
Xe	[Kr] 5s²5p⁶	130	1170	+40	5.90

L'argon utile nella produzione di lampadine elettriche riempite di gas, dove la sua minore conduttivit termica e inerzia chimica lo rendevano preferibile all'azoto per inibire la vaporizzazione del filamento di tungsteno e prolungare la vita della lampadina. I tubi fluorescenti contengono comunemente una miscela di argon e vapori di mercurio. L'argon il terzo gas pi abbondante nell'aria secca.

L'elio viene utilizzato per riempire palloncini e velivoli pi leggeri dell'aria perch non brucia, rendendolo pi sicuro da usare rispetto all'idrogeno. L'elio liquido (punto di ebollizione, 4,2 K) un refrigerante importante per raggiungere le basse temperature necessarie per la ricerca criogenica ed essenziale per raggiungere le basse temperature necessarie per produrre superconduzione nei tradizionali materiali superconduttori utilizzati in potenti magneti e altri dispositivi.

Il neon un componente delle lampade e delle insegne al neon. Il passaggio di una scintilla elettrica attraverso un tubo contenente neon a bassa pressione genera il familiare bagliore rosso del neon. possibile cambiare il colore della luce miscelando argon o vapori di mercurio con il neon oppure utilizzando tubi di vetro di colore speciale.

I tubi flash al kripton-xeno vengono utilizzati per scattare fotografie ad alta velocit. Una scarica elettrica attraverso un tubo del genere d una luce molto intensa che dura solo 1/50.000 di secondo. Il cripton forma un difluoruro, che termicamente instabile a temperatura ambiente.

I composti stabili dello xeno si formano quando lo xeno reagisce con il fluoro. Il difluoruro di xeno, XeF_2, si forma dopo aver riscaldato un eccesso di gas xeno con gas fluoro e quindi raffreddato. Il materiale forma cristalli incolori, stabili a temperatura ambiente in atmosfera secca. Il tetrafluoruro di xeno, XeF_4, e l'esafluoruro di xeno, XeF_6, vengono preparati in modo analogo, rispettivamente con una quantit stechiometrica di fluoro e un eccesso di fluoro. I composti con ossigeno vengono preparati sostituendo gli atomi di fluoro nei fluoruri di xeno con ossigeno.

Quando XeF_6 reagisce con l'acqua, si ottiene una soluzione di XeO_3 e lo xeno rimane nello stato di ossidazione +6. Il triossido di xeno secco e solido, XeO_3, estremamente esplosivo: esploder spontaneamente.

I composti instabili dell'argon si formano a basse temperature, ma non sono noti composti stabili dell'elio e del neon.

Questo testo adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 18.2: Occurrence, Preparation, and the Properties of Noble Gases.