Gases Nobres

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Os elementos não metálicos categorizados no grupo 18 hélio, néon, argônio, crípton, xénon e rádon são chamados de gases nobres. Estes elementos ocorrem como espécies monatómicas e existem como gases sob temperatura ambiente. O rádon é o único elemento radioativo do grupo 18.

Movendo-nos para baixo no grupo, os elementos exibem um aumento dos pontos de ebulição, densidades e raios atómicos, que consequentemente levam ao declínio das energias de ionização de cada elemento sucessivo. No entanto, os gases nobres têm elevadas energias de primeira ionização em comparação com todos os outros elementos da tabela periódica. Isto é porque estes elementos têm configurações de elétrons estáveis com octetos completos.

A remoção de um elétron requer a entrada de uma grande quantidade de energia, o que é desfavorável. Os gases nobres também têm valores positivos de afinidade de elétrons. Ou seja, é necessária energia para adicionar um elétron adicional a um átomo gasoso.

Os gases nobres resistem às adições de elétrons uma vez que as suas camadas de valência já estão completas, e o elétron que chega precisa de entrar numa camada quantum principal de nível superior. A alta estabilidade dos gases nobres atesta a sua inércia química, que encontra muitas aplicações industriais. Por exemplo, o argônio é utilizado para fabricar lâmpadas elétricas a gás de forma a evitar a oxidação dos filamentos de tungsténio, prolongando a vida da lâmpada.

O hélio é utilizado para criar uma atmosfera inerte durante a fusão e a soldadura de metais facilmente oxidáveis. Inicialmente pensou-se que os gases nobres fossem totalmente não reativos a nível químico e foram chamados de gases inertes. No entanto, no início dos anos sessenta, Neil Barlett descobriram algumas exceções.

Por exemplo, o xénon, com a menor energia de ionização dos gases nobres, foi constatado que reagia com o elemento mais eletronegativo, o flúor. O difluoreto de xênon, obtido por aquecimento de um excesso de gás de xênon com o gás de flúor, é um material estável, cristalino. Outros compostos, como o tetrafluoreto de xenônio e o xénon hexafluoreto, também podem ser preparados de forma semelhante.

Os compostos de xénon com o elemento eletronegativo do oxigênio podem ser produzidos através da substituição de átomos de flúor em fluoretos de xênon com oxigênio. Por exemplo, o hexafluoreto de xénon reage com água, cedendo uma solução de trióxido de xénon.

Overview

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Os elementos do grupo 18 são gases nobres (hélio, néon, árgon, criptónio, xénon, e rádon). Eles receberam o nome “nobre” porque se assumiu que eram não-reativos, uma vez que têm as camadas de valência cheias. Em 1962, o Dr. Neil Bartlett na Universidade de Colúmbia Britânica provou que esta suposição era falsa.

Estes elementos estão presentes na atmosfera em pequenas quantidades. Alguns gases naturais contêm 1–2% de hélio em massa. O hélio é isolado do gás natural liquidificando os componentes condensáveis, deixando apenas o hélio como gás. O rádon provém de outros elementos radioativos. Mais recentemente, observou-se que esse gás radioativo está presente em quantidades muito pequenas em solos e minerais. No entanto, a sua acumulação em edifícios bem isolados e bem selados constitui um perigo para a saúde, principalmente para cancro do pulmão.

Os pontos de ebulição e de fusão dos gases nobres são extremamente baixos em relação aos de outras substâncias de massas atómicas ou moleculares comparáveis. Isto acontece porque apenas forças de dispersão de London fracas estão presentes, e estas forças só podem manter os átomos juntos quando o movimento molecular é muito leve, pois é uma temperatura muito baixa.

As orbitais s e p completas da camada de valência adicionam estabilidade aos gases nobres. Estes elementos têm as maiores energias de ionização, indicando que a remoção de um eletrão é difícil. Descendo o grupo, o raio atómico aumenta e a energia de ionização diminui. Os valores positivos de afinidade eletrónica desses elementos revelam que é improvável que eles também ganhem eletrões. A Tabela 1 resume as propriedades dos gases nobres.

Tabela 1: Propriedades dos Gases Nobres.

Elemento	Configuração Eletrónica	Raio Atómico (pm)	IE₁(kJ/mol)	EA (kJ/mol)	Densidade a 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

O árgon é útil no fabrico de lâmpadas elétricas a gás, onde a sua menor condutividade térmica e inércia química o tornaram preferível ao azoto por inibir a vaporização do filamento de tungsténio e prolongar a vida útil da lâmpada. Os tubos fluorescentes contêm normalmente uma mistura de árgon e vapor de mercúrio. O árgon é o terceiro gás mais abundante em ar seco.

O hélio é utilizado para encher balões e naves mais leves que o ar, porque não queima, tornando-o mais seguro de utilizar do que o hidrogénio. O hélio líquido (ponto de ebulição, 4,2 K) é um líquido de arrefecimento importante para atingir as baixas temperaturas necessárias para a investigação criogénica, e é essencial para atingir as baixas temperaturas necessárias para produzir supercondução em materiais supercondutores tradicionais utilizados em ímans potentes e outros dispositivos.

O néon é um componente de lâmpadas e sinais de néon. Passar uma faísca elétrica através de um tubo que contém néon a baixa pressão cria o brilho vermelho familiar do néon. É possível mudar a cor da luz misturando árgon ou vapor de mercúrio com o néon ou utilizando tubos de vidro de uma cor especial.

Os tubos de flash crípton-xénon são utilizados para tirar fotografias a alta velocidade. Uma descarga eléctrica através de um tubo deste tipo proporciona uma luz muito intensa que dura apenas 1/50.000 de segundo. O crípton forma um difluoreto, que é termicamente instável à temperatura ambiente.

Os compostos estáveis do xénon formam-se quando o xénon reage com o flúor. O difluoreto de xénon, XeF₂, forma-se após o aquecimento de um excesso de gás de xénon com gás de flúor e, em seguida, arrefecimento. O material forma cristais incolores, que são estáveis à temperatura ambiente em uma atmosfera seca. O tetrafluoreto de xénon, XeF₄ e o hexafluoreto de xénon, XeF₆, são preparados de forma análoga, com uma quantidade estequiométrica de flúor e um excesso de flúor, respectivamente. Compostos com oxigénio são preparados substituindo os átomos de flúor nos fluoretos de xénon por oxigénio.

Quando o XeF₆ reage com a água, é obtida uma solução de XeO₃ e o xénon permanece no estado de oxidação +6. O trióxido de xénon sólido e seco, XeO₃, é extremamente explosivo — ele irá detonar espontaneamente.

Os compostos instáveis de árgon formam-se a baixas temperaturas, mas os compostos estáveis de hélio e néon não são conhecidos.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 18.2: Occurrence, Preparation, and the Properties of Noble Gases.