GRUPO HEUREMA. EDUCACIÓN SECUNDARIA

ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA

sección: ORÍGENES
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KRIPTÓN, NEÓN Y XENÓN, LOS NUEVOS GASES  NOBLES

 

Una vez encontrado el HELIUM y resuelto el problema de su situación en el sistema periódico de Mendeléev, comienzan a aparecer problemas. Su masa atómica era 4, lo cual suponía una situación entre el hidrógeno 1 y el litio 6,9, con lo que al colocarlo en el grupo 0, va a surgir un hueco entre el HELIUM  y el ARGÓN. Por lo tanto el planteamiento que se hace Ramsay es seguir buscando los elementos del grupo que faltan para completar la familia. )Dónde buscarlos? Lógicamente donde se encuentran en mayor abundancia, o sea, en la atmósfera. El problema era la separación de la mezcla de gases que formaba el aire, para así estudiar la escasa fracción inactiva. La técnica adecuada sería una destilación fraccionada, pero para ello se necesitaba que el aire estuviera líquido, para lo cual habría que enfriarlo hasta dicho punto. Esto lo había conseguido Luis Pablo Cailletet en 1877,  al emplear el efecto Joule Thomson [1] pero después sería muy mejorado por Von Linde que lo  aprovecharía para  separar así el nitrógeno de los demás gases del aire. 

En mayo de 1898, Ramsay y un nuevo colaborador, Travers, disponían de un litro de aire líquido para comenzar la busca por destilación. El argón tiene un punto de ebullición entre el oxígeno y el nitrógeno, por lo tanto, en la destilación fraccionada primero deberían pasar las fracciones más ligeras y luego las más pesadas. El segundo elemento situado entre helio y argón, debería tener una masa entre el flúor 19 y el sodio 23, y en consecuencia tendría que fluir  antes que el nitrógeno. Por la misma razón, el miembro de la familia siguiente al argón, o sea el cuarto, tendría una masa entre el bromo  80 y el rubidio 85,5, salvo que por alguna anomalía ocurriera una situación similar a la del argón.

Comienzan a estudiar la última fracción, la más pesada, aproximadamente 1/40 del litro de aire del que partieron. Separan los residuos de oxígeno y nitrógeno con cobre y magnesio al rojo. El 30 de mayo lo someten a espectroscopia. En ella aparecieron, como no,  unas nuevas rayas espectrales, una amarilla diferente a la del helio, pues poseía un tinte verdoso, y una verde brillante. No coincidían  con ninguno de los elementos conocidos. Se trataba de un nuevo gas, cuya densidad era mayor que la del argón; debía ser el cuarto elemento del grupo. Se comprueba su masa atómica y efectivamente está entre el bromo y el rubidio, tal como habían pensado. Lo bautizan con el nombre previsto, que antes habían aplicado al helio; ahora sí, será el KRIPTÓN, procedente del griego KRIPTO (κρύπτω, escondido, secreto), término que aparece en el griego después de la Ilíada y que a su vez deriva de raíces indoeuropeas ya que en eslavo KRIJQ y KRITI significa esconder [2] . Este nombre también se acomoda perfectamente al nuevo elemento, ya que por su pequeña proporción en el aire (sólo el 0,000114% en volumen), es como "si estuviera escondido en él". Sin embargo, no era el gas que estaban buscando; el puente entre el helio y el argón, la pieza que les faltaba tenía que estar en una fracción más ligera.

Los otros elementos del grupo los van a investigar  partiendo ya de una mezcla de argón líquido en vez de aire. De tres litros de argón y en la primera fracción surge otro nuevo elemento que les llama poderosamente la atención. El  7 de junio, efectúan su espectro que produce una luz rojiza fuertísima, mucho más que la de ningún otro elemento; era algo nuevo, diferente [3] . Un hijo de Ramsay, Willie de 13 años, sugiere el nombre de NOVUM, muy en consonancia con lo que estaba estudiando. El padre aceptó, pero siguiendo los principios aplicados a sus elementos hermanos, esto es, el empleo de la lengua griega, lo llama NEÓN del griego NEOS vεoς, nuevo [4] .  Describe así Travers el fenómeno:

"El esplendor de la luz escarlata del pequeño tubo conteniendo una pequeña cantidad de NEÓN contó su propia historia y fue una visión sorprendente e inolvidable. Valió la pena el esfuerzo de tantos  años pasados y de todas las dificultades aún por vencer antes de terminar la investigación. Pero por el momento cuando la electricidad estaba unida al espectro del gas, nada en el mundo tenía tanto brillo como el que vimos".

A su vez el kriptón va a servir para separar el elemento siguiente de sus últimas fracciones. El elemento del grupo 0 a continuación del kriptón debería encontrarse entre el yodo de masa 126,9 y el cesio, 132,9. Como sería muy poco abundante habría que partir de una cantidad mayor a destilar. Esta vez el producto de partida fueron nada menos que 120 toneladas de aire líquido, obteniendo en la última fracción un gas que, introducido en el tubo de descarga, producía un intenso color azul. Únicamente había pasado un mes desde el descubrimiento anterior. Era el gas menos abundante en el aire, ya que sólo estaba en una proporción 1/170 millones de partes y por lo tanto el más extraño. Así se le denomina XENÓN del griego XENOS (ξεvoς), extranjero, en el sentido de extraño, raro [5] .

El descubrimiento de estos tres últimos elementos gaseosos ocurre entre los meses de mayo, junio y julio de 1898; uno por mes, todo un hito en la historia de los elementos químicos. Ello se produce por dos factores: los elementos no estaban combinados sino libres, y el procedimiento de separación y aislamiento les implicaba a todos. 

En julio del 98, Ramsay y Travers presentan el conjunto de elementos y les dan un nombre. Todos eran gases, no reaccionaban tal como los metales más nobles, así que les llaman GASES NOBLES y también GASES INERTES. Incluso se les denominó AERÓGENOS, por comparación con otras familias del sistema periódico.

 

)Por qué no se combinaban?  

 

Evidentemente su inactividad, su facilidad de reconocimiento era debido a que no se combinaban con los demás, por lo que su capacidad combinativa o atomicidad era cero. Por eso a la hora de agruparlos en una familia que no tenía sitio en el sistema periódico, se la mencionó como 0. Sin embargo en 1896 Villard descubrió un hidrato de ARGÓN [6] , y posteriormente De Faucrand los obtuvo de XENÓN y KRIPTÓN. Ullmann explica esta aparente anomalía sugiriendo una interacción dipolar entre el dipolo permanente del agua y el instantáneo atómico del gas noble. Como la polarizabilidad depende del volumen atómico, los elementos del grupo con menos volumen como el HELIO y el NEÓN no tendrían capacidad para  deformar su nube electrónica y por lo tanto no podrían formar hidratos.  Pero después de los hidratos aparecieron los hidruros. Ya desde 1902, muchos científicos pensaban que el que estuvieran agrupados en el 0, no quería decir que fueran inertes químicamente. Así, el profesor Giuseppe Oddo, el 24 de julio de 1902, explica que la valencia de los elementos no sólo se modifica a lo largo del sistema periódico horizontalmente, sino también verticalmente, y tal como se había encontrado un pentafluoruro de yodo (IF5),  un yoduro de potasio (III) (KI3 ) y un  yoduro de cesio (III) (CsI3), con valencias anómalas para los últimos elementos del grupo, así también  el kriptón y el xenón podrían tener combinaciones químicas (toda una premonición).

 

Sin embargo, los gases nobles tenían electroafinidad positiva [7] (había que darles energía para aportarle electrones), y por otra parte su potencial de ionización era excesivamente grande, por lo tanto no existían las condiciones energéticas favorables para una combinación estable. En 1933, un científico del CALTECH, Yost junto con su alumno Kaye, basándose en una sugerencia de Linus Pauling, intentaron  preparar haluros de xenón, sin conseguirlo. En 1951, G.C. Pimentel se expresaba en el Journal of Chemical Physic:

"Cabe esperar que un gas raro pueda formar complejos con los halógenos. Es interesante especular que los compuestos de halógeno con gases raros (...) pudieran originarse mediante la formación de enlaces similares a los de los trihaluros"

Once años después, en el 1962, Bartlett y Lohmann encontraron que el oxígeno reaccionaba a temperatura ambiente con el PtF6, formando una especie  O2+ PtF6- ; la energía para extraer el electrón del O2, era de 12,2 eV. Pero resulta que el potencial de ionización del Xe era de 12,13eV, por lo tanto en similares circunstancias también debería reaccionar. De esa forma se produjo la primera reacción química real de los gases nobles:

Xe (g) + PtF6 (gas rojizo) = Xe+ PtF6- (gas amarillo naranja)

Fue el punto de partida. En agosto de 1962, Claasen, Malm y Selig, en el Argonne National Laboratories, calentando flúor y xenón en relación 5:1, sobre níquel como catalizador a 400ºC, y 6 atm de presión durante una hora, obtienen cristales de XeF4. Esta molécula como las demás implicaría una ampliación de la teoría del octete, con una disposición de doce electrones alrededor del Xe, y por ello no pensaban que pudieran existir. A continuación apareció el XeF6,  XeO4, XeF2, XeO3F2, XeOF4 etc. El XeO3 fue famoso por su carácter explosivo, pues dejó un rastro destructivo en los laboratorios donde se quiso obtener. Nelson y Pimentel lograron preparar en el 67, el XeCl2, también muy inestable y un explosivo comparable al TNT [8]   .

El radón y el kriptón tienen potenciales de ionización respectivos de 10,75eV y 14,00eV [9] . El primero por lo tanto es más fácilmente oxidable que el xenón. Así reacciona a temperatura ambiente tanto con el flúor como con trifluoruro de cloro, aunque requiera iniciación fotoquímica. Sólo se conoce el estado de oxidación Rn2+. El difluoruro de kriptón es mucho más difícil de conseguir, descomponiéndose a temperatura ambiente. El argón, el neón y el helio, con potenciales de ionización respectivos de 15,76eV, 21,56eV y 24,59eV, no son capaces de reaccionar en ninguna de las condiciones anteriores.

 

Hemos visto que sólo se podrían llamar GASES INERTES realmente al helio, neón y argón, pues los compuestos que forman los demás son ya bastante conocidos. Incluso los de xenón, especialmente los fluoruros, son estables, con energías de enlace del orden de las 125 kJ/mol [10] (la energía del enlace más común en el organismo humano C-H es 340 kJ/mol). El enlace implica hibridaciones sp3d2 y la disposición geométrica de los ligandos F alrededor del Xe, y de los pares de electrones no compartidos, estará regulada por la teoría VSEPR (repulsión del par de electrones del nivel de enlace) de Gillespie. Así el XeF2 será lineal, el XeF4 plana cuadrangular y el XeF6, octaédrica, aunque no sea perfecta y esté sometida a discusión, ya que por ejemplo se sabe que en estado sólido, aparecen dos iones, el (XeF5)+ y el F- con lo cual la estructura debería ser muy diferente.

Actualmente se conocen compuestos neutros en los que se establecen enlaces Xe-H, Xe-S, Xe-Br, Xe-I, Kr-H, Kr-C y Kr-Cl. Igualmente enlaces con metales como entre el Xe-Au con una energía de 212 kJ/mol, aunque en el enlace entre Ar o Kr con los metales sólo es de 47 kJ/mol.

El Xe forma incluso ácidos débiles, como el xénico H2XeO4, xenatos y perxenatos. Vemos pues que tanto la adjetivación de INERTE como la de NOBLE no valen para el xenón, como tampoco deberían valer para el oro, y muy especialmente para la plata.



[1] Este efecto se basa en el enfriamiento que experimenta un gas cuando se expansiona adiabáticamente.

 

[2] Aunque según Pokorny parece derivar de la raíz indoeuropea *kel, que daría el latín celare, en el sentido de ocultar, existe el kriti  checoslovaco, en el mismo sentido, al igual que el sßkryti, y por lo tanto podría proceder de una raíz skr, que está incluida en el origen del silicio, y en sentido de separar, tal como secreto.

 

[3] En las notas de Ramsay se puede leer: "Fracción más ligera de todas. Da un magnífico espectro con muchas rayas en el rojo, algunas tenues verdes y algunas en el violeta. La raya amarilla es particularmente intensa y persiste a muy alto vacío, incluso con fosforescencia". La vistosidad del fenómeno hizo que rápidamente se pensase en comercializar y emplear como reclamo publicitario, surgiendo las lámparas y luces de neón, que se consolidarán en la cultura norteamericana de principios de siglo XX.

 

[4] El griego vέoς , procede del indoeuropeo *newo y *newyo, al igual que el latin novus, el checoslovaco novß, el avéstico nava , el tocario ñu, el sánscrito navya y el hitita newas; tal como el lituano naujas, el ruso novyj y el gótico niujis, hasta el galés novio, y el armenio nor. Como puede observarse no pudo ocurrírsele un nombre más divulgado y extendido.

 

[5] El griego ξέvoς, procede de la raíz indoeuropea *ghosti a través de ghs-enwo-s, según Walde y Boisacq, tal como el latín hostis, en el sentido de extranjero, que en principio debería tratarse como enemigo, y el checoslovaco gast0, el viejo inglés giest, y el viejo germánico gast, que dará también los términos españoles huésped y hostil, aparentemente tan dispares.

 

[6] El primer compuesto de argón fue sintetizado a finales de 2000, por L.Khriachtchev y colaboradores. Se trataba del  HArF.

 

[7] Las electroafinidades de los gases nobles en eV, son : He = 0,22 / Ne = 0,30 /    Ar= 0,36 / Kr = 0,34 / Xe = 0,42 y Rn = 0,42

 

[8] El TNT, trinitrotolueno, fue el explosivo tomado como patrón de potencia deflagradora, por ello el megatón, tan empleado en las últimas décadas, suponía la potencia explosiva de un millón de toneladas de TNT.

 

[9] 1eV equivale a 96,48kJ/mol

 

[10] La energía de enlace Kr-F, es de sólo 50,2 kJ/mol.

 

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