Gases nobles

CONCEPTO

En la columna de la extrema derecha de la tabla periódica de los elementos se encuentra un grupo conocido como los gases nobles: helio, neón, argón, criptón, xenón y radón. También conocidos como gases raros, en su día fueron llamados gases inertes, porque los científicos los consideraban incapaces de reaccionar con otros elementos. A pesar de ser raros, estos gases forman parte de la vida cotidiana, como demuestran el helio de los globos, el neón de las señales y el dañino radón de algunos hogares estadounidenses.

Cómo funciona

Definición de los gases nobles

La tabla periódica de los elementos está ordenada por el número de protones que hay en el núcleo de un átomo para un elemento determinado (el número atómico), aunque la tabla también está dispuesta de tal manera que los elementos con características similares están agrupados. Tal es el caso del Grupo 8, que a veces se denomina Grupo 18, una colección de no metales conocida como los gases nobles. Los seis gases nobles son el helio (He), el neón (Ne), el argón (Ar), el criptón (Kr), el xenón (Xe) y el radón (Rn). Sus números atómicos son, respectivamente, 2, 10, 18, 36, 54 y 86.

Varias características, además de su ubicación en la tabla periódica, definen a los gases nobles. Obviamente, todos son gases, lo que significa que sólo forman líquidos o sólidos a temperaturas extremadamente bajas -temperaturas que, al menos en la Tierra, sólo suelen alcanzarse en un laboratorio-. Son incoloros, inodoros e insípidos, así como monatómicos, lo que significa que existen como átomos individuales, en lugar de en moléculas. (Por el contrario, los átomos de oxígeno -otro gas, aunque no pertenece a este grupo- suelen combinarse para formar una molécula, O2.)

Baja reactividad

Hay una razón por la que los átomos de los gases nobles tienden a no combinarse: una de las características que definen a la «familia» de los gases nobles es su falta de reactividad química. En lugar de reaccionar con otros elementos o unirse a ellos, los gases nobles tienden a permanecer separados, de ahí el nombre de «noble», que implica que alguien o algo está apartado de la multitud, por así decirlo. Debido a su aparente falta de reactividad, los gases nobles -también conocidos como gases raros- fueron conocidos en su día como gases inertes.

De hecho, no se ha encontrado que el helio, el neón y el argón se combinen con otros elementos para formar compuestos. Sin embargo, en 1962 el químico inglés Neil Bartlett (1932-) consiguió preparar un compuesto de xenón con platino y flúor (XePtF6), derribando así la idea de que los gases nobles eran totalmente «inertes». Desde entonces, se han desarrollado numerosos compuestos de xenón con otros elementos, sobre todo oxígeno y flúor. El flúor también se ha utilizado para formar compuestos simples con el criptón y el radón.

Sin embargo, la baja reactividad -en lugar de la nula reactividad, como se pensaba anteriormente- caracteriza a los gases raros. Uno de los factores que rigen la reactividad de un elemento es su configuración electrónica, y los electrones de los gases nobles están dispuestos de tal manera que desalientan la unión con otros elementos.

Aplicaciones en la vida real

Aislamiento de los gases nobles

HELIO.

El helio es un elemento inusual en muchos aspectos, sobre todo porque es el único elemento que se identificó por primera vez en el Sistema Solar antes de ser descubierto en la Tierra. Esto es significativo, porque los elementos de la Tierra son los mismos que se encuentran en el espacio: por lo tanto, es algo más que un intento de sonar poético cuando los científicos dicen que los seres humanos, así como el mundo que les rodea, están hechos de «la materia de las estrellas».

En 1868, un astrónomo francés llamado Pierre Janssen (1824-1907) estaba en la India para observar un eclipse solar total. Para ayudarle en sus observaciones, utilizó un espectroscopio, un instrumento para analizar el espectro de la luz emitida por un objeto. Lo que mostró el espectroscopio de Janssen fue sorprendente: una línea amarilla en el espectro, nunca vista antes, que parecía indicar la presencia de un elemento no descubierto hasta entonces. Janssen lo llamó «helio» en honor al dios griego Helios, o Apolo, al que los antiguos asociaban con el Sol.

Janssen compartió sus descubrimientos con el astrónomo inglés Sir Joseph Lockyer (1836-1920), que gozaba de reputación mundial por sus trabajos de análisis de las ondas luminosas. Lockyer también creyó que lo que Janssen había visto era un nuevo elemento, y unos meses más tarde, observó las mismas líneas espectrales inusuales. En aquella época, el espectroscopio era todavía un invento nuevo y muchos miembros de la comunidad científica mundial dudaban de su utilidad, por lo que, a pesar de la reputación de Lockyer, pusieron en duda la existencia de este «nuevo» elemento. Sin embargo, a lo largo de sus vidas, se demostró que Janssen y Lockyer tenían razón.

Neón, argón, criptón y xenón.

Sin embargo, tuvieron que esperar un cuarto de siglo. En 1893, el químico inglés Sir William Ramsay (1852-1916) quedó intrigado por la presencia de una misteriosa burbuja de gas que quedaba al combinar el nitrógeno de la atmósfera con el oxígeno. Se trataba de un fenómeno que también había observado el físico inglés Henry Cavendish (1731-1810) más de un siglo antes, pero Cavendish no pudo ofrecer ninguna explicación. Ramsay, en cambio, contaba con las observaciones del físico inglés John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919).

Hasta ese momento, los científicos creían que el aire estaba formado únicamente por oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua. Sin embargo, Rayleigh había observado que cuando el nitrógeno se extraía del aire tras un proceso de eliminación de esos otros componentes, tenía una densidad ligeramente superior a la del nitrógeno preparado a partir de una reacción química. A la luz de sus propias observaciones, Ramsay llegó a la conclusión de que, mientras que el nitrógeno obtenido a partir de reacciones químicas era puro, el nitrógeno extraído del aire contenía trazas de un gas desconocido.

Ramsay sólo se equivocó en un aspecto: oculto con el nitrógeno no había un gas, sino cinco. Para aislar estos gases, Ramsay y Rayleigh sometieron el aire a una combinación de alta presión y baja temperatura, permitiendo que los distintos gases hirvieran a diferentes temperaturas. Uno de los gases era el helio -la primera confirmación de que el elemento existía en la Tierra-, pero los otros cuatro gases eran desconocidos hasta entonces. Las raíces griegas de los nombres dados a los cuatro gases reflejaban el asombro de los científicos al descubrir estos elementos difíciles de encontrar: neos (nuevo), argos (en activo), kryptos (oculto) y xenón (extraño).

RADÓN.

Inspirado por los estudios de la física y química polaco-francesa Marie Curie (1867-1934) sobre el elemento radio y el fenómeno de la radiactividad (ella descubrió el elemento, y acuñó este último término), el físico alemán Friedrich Dorn (1848-1916) quedó fascinado con el radio. Estudiando el elemento, descubrió que emitía un gas radiactivo, al que denominó «emanación de radio». Con el tiempo, sin embargo, se dio cuenta de que lo que se producía era un nuevo elemento. Esta fue la primera prueba clara de que un elemento podía convertirse en otro a través del proceso de desintegración radiactiva.

Ramsay, que junto con Rayleigh había recibido el Premio Nobel en 1904 por su trabajo sobre los gases nobles, fue capaz de trazar las líneas espectrales del nuevo elemento y determinar su densidad y masa atómica. Unos años más tarde, en 1918, otro científico llamado C. Schmidt le dio el nombre de «radón». Debido a su comportamiento y a la configuración de sus electrones, los químicos clasificaron el radón entre lo que siguieron llamando los «gases inertes» durante otro medio siglo, hasta la preparación de los compuestos de xenón por parte de Bartlett en 1962.

Presencia de los gases raros en la Tierra

EN LA ATMOSFERA.

Aunque los gases raros se encuentran en minerales y meteoritos en la Tierra, su mayor presencia es en la atmósfera del planeta. Se cree que fueron liberados en el aire hace mucho tiempo como subproducto de la descomposición de materiales radiactivos en la corteza terrestre. Dentro de la atmósfera, el argón es el más «abundante», en términos comparativos, dado que los «gases raros» son, por definición, raros.

El nitrógeno constituye aproximadamente el 78% de la atmósfera terrestre y el oxígeno el 21%, lo que significa que estos dos elementos constituyen el 99% del aire sobre la Tierra. El argón ocupa un lejano tercer lugar, con un 0,93%. El 0,07% restante se compone de vapor de agua, dióxido de carbono, ozono (O3) y trazas de gases nobles. Estos últimos están presentes en cantidades tan pequeñas que las cifras correspondientes no suelen presentarse en porcentajes, sino en términos de partes por millón (ppm). Las concentraciones de neón, helio, criptón y xenón en la atmósfera son de 18, 5, 1 y 0,09 ppm respectivamente.

EN EL SUELO.

El radón en la atmósfera es prácticamente insignificante, lo cual es una suerte, a la luz de sus cualidades radiactivas. De hecho, pocos estadounidenses sabían de su existencia hasta 1988, cuando la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) publicó un informe en el que se estimaba que unos diez millones de hogares estadounidenses tenían niveles de radón potencialmente perjudiciales. Esto provocó un susto, y durante los últimos años de la década de los 80 y los 90, las ventas de detectores de radón para el hogar se dispararon. Mientras tanto, el gobierno federal aumentó la preocupación con informes adicionales, aconsejando a la gente que sellara sus sótanos y ventilara sus casas si el radón superaba ciertos niveles.

Varios científicos han cuestionado las afirmaciones del gobierno, pero algunas regiones de Estados Unidos parecen tener un riesgo relativamente alto debido a la presencia de radón en el suelo. El elemento parece ser más abundante en los suelos que contienen altas concentraciones de uranio. Si el radón está presente en una casa que ha sido sellada a la intemperie para mejorar la eficiencia de los sistemas de calefacción y refrigeración, es, de hecho, potencialmente peligroso para los residentes.

Científicos chinos hicieron en la década de 1960 un interesante descubrimiento en relación con el radón y su aplicación a la sismografía, o el área de las ciencias de la tierra dedicada a estudiar y predecir los terremotos. Los informes chinos demostraron que los niveles de radón en las aguas subterráneas aumentan considerablemente justo antes de un terremoto. Desde entonces, los chinos han monitorizado las concentraciones de radón en el agua, y han utilizado estos datos para predecir los terremotos.

EXTRACCIÓN DE GASES RAROS.

El radón, de hecho, no es el único gas raro que puede obtenerse como resultado de la desintegración radiactiva: en 1903, Ramsay y el químico británico Frederick Soddy (1877-1956) demostraron que la descomposición del uranio o del radio da lugar a la producción de átomos de helio (partículas beta). Unos años más tarde, el físico inglés Ernest Rutherford (1871-1937) demostró que la radiación con carga eléctrica positiva (rayos alfa) era en realidad una corriente de átomos de helio desprovistos de un electrón.

Muchos de los gases nobles se extraen licuando el aire, es decir, reduciéndolo a temperaturas en las que asume las propiedades de un líquido en lugar de un gas. Controlando las temperaturas del aire licuado, es posible alcanzar el punto de ebullición de un gas noble concreto y así extraerlo, tal y como se hizo cuando se aislaron estos gases por primera vez en la década de 1890.

LA SITUACIÓN ÚNICA DEL HELIO.

El helio es notable, ya que sólo se licua a una temperatura de -457,6°F (-272°C), justo por encima del cero absoluto. El cero absoluto es la temperatura a la que el movimiento de los átomos o las moléculas se detiene prácticamente, pero el movimiento de los átomos de helio nunca cesa por completo. De hecho, para licuarlo, incluso a esas bajas temperaturas, hay que someterlo a presiones muchas veces superiores a las que ejerce la atmósfera terrestre.

Dados estos hechos, es difícil extraer el helio del aire. Lo más frecuente es obtenerlo de los pozos de gas natural, donde está presente en concentraciones relativamente grandes, entre el 1% y el 7% del gas natural. La mayor parte del suministro de helio de la Tierra pertenece a Estados Unidos, donde la mayor abundancia de pozos que suministran helio se encuentra en Texas, Oklahoma y Kansas. Durante la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos aprovechó este suministro de helio relativamente barato para proporcionar flotabilidad a una flota de dirigibles utilizados para el reconocimiento.

Hay un lugar con un suministro abundante de helio, pero no hay planes para una expedición minera a corto plazo. Ese lugar es el Sol, donde la fusión nuclear de átomos de hidrógeno crea helio. De hecho, el helio parece ser el elemento más abundante de todos, después del hidrógeno, constituyendo el 23% de la masa total del universo. ¿Por qué, entonces, es tan difícil de obtener en la Tierra? Probablemente porque es muy ligero en comparación con el aire; simplemente flota en el espacio.

Aplicaciones de los gases nobles

RADÓN, ARGÓN, CRISTÓN Y XENÓN.

Aunque el radón es conocido principalmente por los peligros que supone para la vida y el bienestar humanos, tiene aplicaciones útiles. Como se ha señalado anteriormente, su presencia en las aguas subterráneas parece proporcionar un posible medio para predecir los terremotos. Además, se utiliza para detectar fugas, medir caudales e inspeccionar soldaduras metálicas.

Un uso interesante del argón y, en particular, del isótopo estable argón-40, es en las técnicas de datación utilizadas por geólogos, paleontólogos y otros científicos que estudian el pasado lejano. Cuando las rocas volcánicas se someten a temperaturas extremadamente altas, liberan argón y, al enfriarse las rocas, el argón-40 se acumula. Dado que el argón-40 se forma por la desintegración radiactiva de un isótopo del potasio, el potasio-40, la cantidad de argón-40 que se forma es proporcional a la tasa de desintegración del potasio-40. Este último tiene una vida media de 1 año. Este último tiene una vida media de 1.300 millones de años, lo que significa que la mitad del potasio-40 originalmente presente tarda 1.300 millones de años en convertirse en argón-40. Utilizando el argón-40, los paleontólogos han podido estimar la edad de las capas volcánicas situadas por encima y por debajo de los restos fósiles y de artefactos en el este de África.

El criptón tiene una serie de aplicaciones especializadas; por ejemplo, se mezcla con el argón y se utiliza en la fabricación de ventanas con un alto nivel de eficiencia térmica. En los láseres, se suele mezclar con un halógeno como el flúor. Además, también se utiliza a veces en los faros halógenos sellados. Muchos fans de Superman, sin duda, se decepcionaron en algún momento de su vida al descubrir que no existe la «kriptonita», el elemento ficticio que hacía que el Hombre de Acero perdiera su legendaria fuerza. Sin embargo, el criptón -el real- tiene aplicaciones que son literalmente de otro mundo. En el desarrollo de combustible para la exploración espacial, el criptón compite con su elemento hermano, el xenón. El xenón ofrece un mejor rendimiento, pero su producción cuesta unas diez veces más, por lo que el criptón se ha vuelto más atractivo como combustible para los vuelos espaciales.

Además de su potencial como combustible espacial, el xenón se utiliza en lámparas de arco para la proyección de películas de cine, en lámparas de radiación ultravioleta de alta presión y en bombillas de flash especializadas utilizadas por los fotógrafos. Un isótopo concreto del xenón se utiliza para rastrear el movimiento de las arenas a lo largo de la costa. El xenón también se aplica en la física de alta energía para detectar la radiación nuclear en cámaras de burbujas. Además, los neurocientíficos están experimentando con el uso del xenón en procedimientos de diagnóstico para aclarar las imágenes de rayos X del cerebro humano.

NEÓN.

El neón, por supuesto, es más conocido por su aplicación en los carteles de neón, que producen un llamativo resplandor cuando se iluminan por la noche. El químico francés Georges Claude (1870-1960), intrigado por el descubrimiento del neón por parte de Ramsay, realizó experimentos que condujeron al desarrollo de la luz de neón en 1910. Esa primera luz de neón era simplemente un tubo de vidrio lleno de gas neón, que brillaba con un rojo intenso cuando se cargaba de electricidad.

Claude acabó descubriendo que la mezcla de otros gases con el neón producía diferentes colores de luz. También experimentó con variaciones en las formas de los tubos de vidrio para crear letras e imágenes. En la década de 1920, la luz de neón se puso de moda y sigue siendo popular hoy en día. Las lámparas de neón modernas suelen ser de plástico y no de vidrio, y la gama de colores es mucho mayor que en la época de Claude: no sólo se varía el relleno de gas, sino también el revestimiento del interior del tubo, lo que da lugar a una variedad de colores de todo el espectro.

Aunque la señal de neón es su aplicación más conocida, el neón se utiliza para muchas otras cosas. Las lámparas de neón se utilizan a menudo para indicar los ajustes de encendido y apagado en los paneles de instrumentos electrónicos, y las lámparas de neón ligeras se encuentran en máquinas que van desde ordenadores hasta reguladores de voltaje. De hecho, el primer televisor práctico en color, producido en 1928, utilizaba un tubo de neón para producir el color rojo en el receptor. El verde procedía del mercurio, pero la luz azul de aquel primer televisor en color procedía de otro gas noble, el helio.

HELIO.

El helio, por supuesto, es ampliamente conocido por su uso en globos, tanto para grandes dirigibles como para los globos que han proporcionado alegría y diversión a muchos niños pequeños. Aunque el helio es mucho más caro que el hidrógeno como medio para proporcionar flotabilidad a las aeronaves, el hidrógeno es extremadamente inflamable, y tras la infame explosión del dirigible Hindenburg en 1937, el helio se convirtió en el medio preferido para las aeronaves. Como se ha señalado anteriormente, el ejército de los Estados Unidos utilizó ampliamente dirigibles llenos de helio durante la Segunda Guerra Mundial.

El uso del helio para la flotabilidad es una de las aplicaciones más destacadas de este gas noble, pero no es ni mucho menos la única. De hecho, no sólo se ha utilizado el helio para subir en globos, sino que los buzos lo usan para bajar bajo la superficie del océano. En esa situación, por supuesto, el helio no se utiliza para proporcionar flotabilidad, sino como un medio de protección contra la condición relacionada con el buceo conocida como «los bends», que ocurre cuando el nitrógeno en la sangre burbujea cuando el buceador sube a la superficie. El helio se mezcla con el oxígeno en los tanques de aire de los buceadores porque no se disuelve en la sangre tan fácilmente como el nitrógeno.

Entre las aplicaciones más fascinantes del helio se encuentran las relacionadas con su punto de congelación extraordinariamente bajo. El helio ha desempeñado un papel importante en la ciencia de las bajas temperaturas conocida como criogenia, y ha encontrado aplicación en la investigación relativa a la superconductividad: el uso de temperaturas muy bajas para desarrollar materiales que conduzcan la energía eléctrica con una eficiencia mucho mayor que los conductores ordinarios. Al acercarse al cero absoluto, el helio se transforma en un líquido muy poco habitual, distinto de cualquier otra sustancia conocida, ya que no presenta una resistencia medible al flujo. Esto significa que podría transportar una corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que un cable de cobre.

DÓNDE SABER MÁS

«La química de los gases raros» (sitio web). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (13 de mayo de 2001).

«Deberes: Ciencia: Química: Gases» Channelone.com (sitio web). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (12 de mayo de 2001).

Knapp, Brian J.; David Woodroffe; David A. Hardy. Elements. Danbury, CT: Grolier Educational, 2000.

Mebane, Robert C. y Thomas R. Rybolt. Air and Other Gases. Ilustraciones de Anni Matsick. Nueva York: Twenty-First Century Books, 1995.

«Gases nobles» Xrefer.com (sitio web). <http://www.xrefer.com/entry/643259> (13 de mayo de 2001).

Gases nobles. Praxair (sitio web). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (13 de mayo de 2001).

Stwertka, Albert. Superconductores: The Irresistible Future. Nueva York: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Facts on Radon and Asbestos. Ilustrado por Ian Moores. New York: F. Watts, 1990.