Gas Nobili

CONCEPT

Nella colonna all’estrema destra della tavola periodica degli elementi c’è un gruppo conosciuto come i gas nobili: elio, neon, argon, krypton, xeno e radon. Conosciuti anche come gas rari, una volta erano chiamati gas inerti, perché gli scienziati li ritenevano incapaci di reagire con altri elementi. Per quanto siano rari, questi gas fanno parte della vita quotidiana, come dimostrano l’elio nei palloni, il neon nelle insegne e il dannoso radon in alcune case americane.

Come funziona

Definizione dei gas nobili

La tavola periodica degli elementi è ordinata in base al numero di protoni nel nucleo di un atomo per un dato elemento (il numero atomico), ma la tabella è anche organizzata in modo che gli elementi con caratteristiche simili siano raggruppati insieme. È il caso del gruppo 8, che a volte è chiamato gruppo 18, una collezione di non-metalli conosciuti come i gas nobili. I sei gas nobili sono elio (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xeno (Xe) e radon (Rn). I loro numeri atomici sono, rispettivamente, 2, 10, 18, 36, 54 e 86.

Diverse caratteristiche, a parte il loro posizionamento sulla tavola periodica, definiscono i gas nobili. Ovviamente, sono tutti gas, il che significa che formano liquidi o solidi solo a temperature estremamente basse – temperature che, almeno sulla Terra, sono solitamente raggiunte solo in laboratorio. Sono incolori, inodori e insapori, oltre che monoatomici, il che significa che esistono come singoli atomi, piuttosto che in molecole. (Al contrario, gli atomi di ossigeno – un altro gas, anche se non fa parte di questo gruppo – di solito si combinano per formare una molecola, O2.)

Bassa reattività

C’è una ragione per cui gli atomi dei gas nobili tendono a non combinarsi: una delle caratteristiche che definisce la “famiglia” dei gas nobili è la loro mancanza di reattività chimica. Piuttosto che reagire o legarsi ad altri elementi, i gas nobili tendono a rimanere separati – da qui il nome “nobile”, che implica qualcuno o qualcosa che si distingue dalla massa, per così dire. A causa della loro apparente mancanza di reattività, i gas nobili – noti anche come gas rari – erano una volta conosciuti come gas inerti.

Infatti, elio, neon e argon non sono stati trovati a combinarsi con altri elementi per formare composti. Tuttavia, nel 1962 il chimico inglese Neil Bartlett (1932-) riuscì a preparare un composto di xeno con platino e fluoro (XePtF6), rovesciando così l’idea che i gas nobili fossero interamente “inerti”. Da allora, sono stati sviluppati numerosi composti di xeno con altri elementi, in particolare ossigeno e fluoro. Il fluoro è stato anche usato per formare composti semplici con krypton e radon.

Nonostante, una bassa reattività – invece di nessuna reattività, come si pensava in precedenza – caratterizza i gas rari. Uno dei fattori che governano la reattività di un elemento è la sua configurazione elettronica, e gli elettroni dei gas nobili sono disposti in modo tale da scoraggiare il legame con altri elementi.

Applicazioni nella vita reale

Isolamento dei gas nobili

ELIO.

L’elio è un elemento insolito sotto molti aspetti, non ultimo perché è l’unico elemento ad essere stato identificato nel sistema solare prima di essere scoperto sulla Terra. Questo è significativo, perché gli elementi sulla Terra sono gli stessi che si trovano nello spazio: quindi, è più di un semplice tentativo di suonare poetico quando gli scienziati dicono che gli esseri umani, così come il mondo che li circonda, sono fatti della “materia delle stelle”

Nel 1868, un astronomo francese chiamato Pierre Janssen (1824-1907) era in India per osservare un’eclissi solare totale. Per aiutarlo nelle sue osservazioni, usò uno spettroscopio, uno strumento per analizzare lo spettro della luce emessa da un oggetto. Ciò che lo spettroscopio di Janssen mostrò fu sorprendente: una linea gialla nello spettro, mai vista prima, che sembrava indicare la presenza di un elemento mai scoperto prima. Janssen lo chiamò “elio” dal nome del dio greco Helios, o Apollo, che gli antichi associavano al Sole.

Janssen condivise le sue scoperte con l’astronomo inglese Sir Joseph Lockyer (1836-1920), che aveva una reputazione mondiale per il suo lavoro di analisi delle onde luminose. Anche Lockyer credeva che quello che Janssen aveva visto fosse un nuovo elemento, e pochi mesi dopo, osservò le stesse linee spettrali insolite. A quel tempo, lo spettroscopio era ancora una nuova invenzione, e molti membri della comunità scientifica mondiale dubitavano della sua utilità, e quindi, nonostante la reputazione di Lockyer, mettevano in dubbio l’esistenza di questo “nuovo” elemento. Tuttavia, durante la loro vita, Janssen e Lockyer ebbero ragione.

NEON, ARGON, KRYPTON, E XENON.

Dovettero aspettare un quarto di secolo, tuttavia. Nel 1893, il chimico inglese Sir William Ramsay (1852-1916) fu incuriosito dalla presenza di una misteriosa bolla di gas rimasta quando l’azoto dell’atmosfera si combinava con l’ossigeno. Si trattava di un fenomeno che era stato notato anche dal fisico inglese Henry Cavendish (1731-1810) più di un secolo prima, ma Cavendish non poteva offrire alcuna spiegazione. Ramsay, d’altra parte, aveva il beneficio delle osservazioni fatte dal fisico inglese John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919).

Fino a quel momento, gli scienziati credevano che l’aria fosse composta solo da ossigeno, anidride carbonica e vapore acqueo. Tuttavia, Rayleigh aveva notato che quando l’azoto veniva estratto dall’aria dopo un processo di rimozione di questi altri componenti, aveva una densità leggermente superiore all’azoto preparato da una reazione chimica. Alla luce delle sue osservazioni, Ramsay concluse che mentre l’azoto ottenuto da reazioni chimiche era puro, l’azoto estratto dall’aria conteneva tracce di un gas sconosciuto.

Ramsay si sbagliava solo in un aspetto: nascosto nell’azoto non c’era un gas, ma cinque. Per isolare questi gas, Ramsay e Rayleigh sottoposero l’aria a una combinazione di alta pressione e bassa temperatura, permettendo ai vari gas di bollire a temperature diverse. Uno dei gas era l’elio – la prima conferma che l’elemento esisteva sulla Terra – ma gli altri quattro gas erano precedentemente sconosciuti. Le radici greche dei nomi dati ai quattro gas riflettevano la meraviglia degli scienziati nello scoprire questi elementi difficili da trovare: neos (nuovo), argos (in attivo), kryptos (nascosto), e xenon (sconosciuto).

RADON.

Inspirato dagli studi del fisico e chimico polacco-francese Marie Curie (1867-1934) sull’elemento radio e sul fenomeno della radioattività (scoprì l’elemento e coniò quest’ultimo termine), il fisico tedesco Friedrich Dorn (1848-1916) si appassionò al radio. Studiando l’elemento, scoprì che emetteva un gas radioattivo, che soprannominò “emanazione del radio”. Alla fine, però, si rese conto che quello che veniva prodotto era un nuovo elemento. Questa fu la prima chiara prova che un elemento poteva diventare un altro attraverso il processo di decadimento radioattivo.

Ramsay, che insieme a Rayleigh aveva ricevuto il premio Nobel nel 1904 per il suo lavoro sui gas nobili, fu in grado di mappare le linee spettrali del nuovo elemento e determinare la sua densità e massa atomica. Qualche anno dopo, nel 1918, un altro scienziato di nome C. Schmidt gli diede il nome di “radon”. A causa del suo comportamento e della configurazione dei suoi elettroni, i chimici classificarono il radon tra quelli che continuarono a chiamare “gas inerti” per un altro mezzo secolo, fino alla preparazione dei composti di xeno da parte di Bartlett nel 1962.

Presenza dei gas rari sulla Terra

NELL’ATMOSFERA.

Anche se i gas rari si trovano in minerali e meteoriti sulla Terra, la loro maggiore presenza è nell’atmosfera del pianeta. Si crede che siano stati rilasciati nell’aria molto tempo fa come un sottoprodotto del decadimento da parte di materiali radioattivi nella crosta terrestre. All’interno dell’atmosfera, l’argon è il più “abbondante” – in termini comparativi, dato che i “gas rari” sono, per definizione, rari.

L’azoto costituisce circa il 78% dell’atmosfera terrestre e l’ossigeno il 21%, il che significa che questi due elementi costituiscono il 99% dell’aria sopra la Terra. L’argon è al terzo posto, con lo 0,93%. Il restante 0,07% è composto da vapore acqueo, anidride carbonica, ozono (O3) e tracce di gas nobili. Questi sono presenti in quantità così piccole che le cifre per loro non sono tipicamente presentate come percentuali, ma piuttosto in termini di parti per milione (ppm). Le concentrazioni di neon, elio, krypton e xeno nell’atmosfera sono rispettivamente 18, 5, 1 e 0,09 ppm.

NEL SUOLO.

Il radon nell’atmosfera è praticamente trascurabile, il che è una fortuna, alla luce delle sue qualità radioattive. Pochi americani, infatti, sapevano della sua esistenza fino al 1988, quando la United States Environmental Protection Agency (EPA) pubblicò un rapporto che stimava che circa dieci milioni di case americane avevano livelli di radon potenzialmente dannosi. Questo fece scattare un allarme, e durante la fine degli anni ’80 e gli anni ’90, le vendite di rilevatori di radon per la casa ebbero un boom. Nel frattempo, il governo federale ha aumentato le preoccupazioni con ulteriori rapporti, consigliando alle persone di sigillare le loro cantine e ventilare le loro case se il radon superava certi livelli.

Un certo numero di scienziati ha contestato le affermazioni del governo, ma alcune regioni degli Stati Uniti sembrano essere a rischio relativamente alto a causa della presenza di radon nel suolo. L’elemento sembra essere più abbondante nei terreni contenenti alte concentrazioni di uranio. Se il radon è presente in una casa che è stata sigillata dalle intemperie per migliorare l’efficienza dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento, è davvero potenzialmente pericoloso per i residenti.

Scienziati cinesi negli anni ’60 hanno fatto un’interessante scoperta sul radon e la sua applicazione alla sismografia, o l’area delle scienze della terra dedicata allo studio e alla previsione dei terremoti. I livelli di radon nelle acque sotterranee, secondo i rapporti cinesi, aumentano considerevolmente poco prima di un terremoto. Da allora, i cinesi hanno monitorato le concentrazioni di radon nell’acqua, e hanno usato questi dati per prevedere i terremoti.

ESTRAZIONE DEI GAS RARI.

Il radon, infatti, non è l’unico gas raro che può essere ottenuto come risultato del decadimento radioattivo: nel 1903, Ramsay e il chimico britannico Frederick Soddy (1877-1956) hanno dimostrato che la scomposizione dell’uranio o del radio porta alla produzione di atomi di elio (particelle beta). Pochi anni dopo, il fisico inglese Ernest Rutherford (1871-1937) dimostrò che le radiazioni con carica elettrica positiva (raggi alfa) erano in realtà un flusso di atomi di elio privati di un elettrone.

Molti dei gas nobili vengono estratti liquefacendo l’aria, cioè riducendola a temperature alle quali assume le proprietà di un liquido piuttosto che di un gas. Controllando le temperature nell’aria liquefatta, è possibile raggiungere il punto di ebollizione per un particolare gas nobile e quindi estrarlo, proprio come è stato fatto quando questi gas sono stati isolati per la prima volta negli anni 1890.

L’UNICA SITUAZIONE DELL’ELIO.

L’elio è notevole, in quanto si liquefa solo ad una temperatura di -457,6°F (-272°C), appena sopra lo zero assoluto. Lo zero assoluto è la temperatura alla quale il movimento degli atomi o delle molecole si ferma virtualmente, ma il movimento degli atomi di elio non cessa mai completamente. Per poterlo liquefare, infatti, anche a quelle basse temperature, deve essere sottoposto a pressioni molte volte superiori a quelle esercitate dall’atmosfera terrestre.

In considerazione di questi fatti, è difficile estrarre l’elio dall’aria. Più spesso, è ottenuto dai pozzi di gas naturale, dove è presente in concentrazioni relativamente grandi, tra l’1% e il 7% del gas naturale. La maggior parte della fornitura di elio della Terra appartiene agli Stati Uniti, dove la maggior abbondanza di pozzi che forniscono elio si trova in Texas, Oklahoma e Kansas. Durante la seconda guerra mondiale, gli Stati Uniti approfittarono di questa fornitura di elio relativamente poco costoso per fornire galleggiamento ad una flotta di dirigibili usati per la ricognizione.

C’è un posto con un’abbondante fornitura di elio, ma non ci sono piani per una spedizione mineraria a breve. Quel posto è il Sole, dove la fusione nucleare degli atomi di idrogeno crea l’elio. In effetti, l’elio sembra essere l’elemento più abbondante di tutti, dopo l’idrogeno, costituendo il 23% della massa totale dell’universo. Perché, allora, è così difficile da ottenere sulla Terra? Molto probabilmente perché è così leggero in confronto all’aria; semplicemente galleggia nello spazio.

Applicazioni per i gas nobili

RADON, ARGON, KRYPTON, E XENON.

Anche se il radon è conosciuto principalmente per i pericoli che pone alla vita e al benessere umano, ha applicazioni utili. Come notato sopra, la sua presenza nelle acque sotterranee sembra fornire un possibile mezzo per prevedere i terremoti. Inoltre, è usato per rilevare le perdite, misurare le portate e ispezionare le saldature metalliche.

Un uso interessante dell’argon e, in particolare, dell’isotopo stabile argon-40, è nelle tecniche di datazione usate da geologi, paleontologi e altri scienziati che studiano il lontano passato. Quando le rocce vulcaniche sono sottoposte a temperature estremamente elevate, rilasciano argon, e mentre le rocce si raffreddano, l’argon-40 si accumula. Poiché l’argon-40 si forma dal decadimento radioattivo di un isotopo del potassio, il potassio-40, la quantità di argon-40 che si forma è proporzionale al tasso di decadimento del potassio-40. Quest’ultimo ha un’emivita di 1,3 miliardi di anni, il che significa che ci vogliono 1,3 miliardi di anni perché metà del potassio-40 originariamente presente sia convertito in argon-40. Usando l’argon-40, i paleontologi sono stati in grado di stimare l’età degli strati vulcanici sopra e sotto i resti di fossili e manufatti nell’Africa orientale.

Il cripto ha un certo numero di applicazioni specializzate-per esempio, è mescolato con argon e usato nella fabbricazione di finestre con un alto livello di efficienza termica. Usato nei laser, è spesso mescolato con un alogeno come il fluoro. Inoltre, è anche usato a volte nei fari alogeni a fascio chiuso. Molti fan di Superman, senza dubbio, sono rimasti delusi a un certo punto della loro vita nello scoprire che non esiste una cosa come la “kryptonite”, l’elemento fittizio che ha fatto perdere all’Uomo d’Acciaio la sua forza leggendaria. Eppure il krypton, quello vero, ha applicazioni che sono letteralmente fuori dal mondo. Nello sviluppo di carburante per l’esplorazione spaziale, il krypton è in competizione con il suo elemento gemello, lo xeno. Lo xeno offre prestazioni migliori, ma costa circa dieci volte di più da produrre; così il krypton è diventato più attraente come combustibile per il volo spaziale.

Oltre al suo potenziale come combustibile spaziale, lo xeno è usato in lampade ad arco per la proiezione di film in movimento, in lampade per radiazioni ultraviolette ad alta pressione e in lampadine speciali usate dai fotografi. Un particolare isotopo dello xeno è utilizzato per tracciare il movimento delle sabbie lungo una linea costiera. Lo xeno è anche applicato nella fisica delle alte energie per rilevare la radiazione nucleare nelle camere a bolle. Inoltre, i neuroscienziati stanno sperimentando l’uso dello xeno nelle procedure diagnostiche per chiarire le immagini a raggi X del cervello umano.

NEON.

Il neon, naturalmente, è meglio conosciuto per la sua applicazione nelle insegne al neon, che producono un bagliore accattivante quando sono accese di notte. Il chimico francese Georges Claude (1870-1960), incuriosito dalla scoperta di Ramsay del neon, condusse degli esperimenti che portarono allo sviluppo della luce al neon nel 1910. La prima luce al neon era semplicemente un tubo di vetro riempito di gas neon, che si illuminava di un rosso brillante quando veniva caricato con l’elettricità.

Claude scoprì poi che mescolando altri gas con il neon produceva diversi colori di luce. Sperimentò anche variazioni nelle forme dei tubi di vetro per creare lettere e immagini. Negli anni ’20, la luce al neon era entrata in voga, ed è ancora popolare oggi. Le moderne lampade al neon sono tipicamente fatte di plastica piuttosto che di vetro, e la gamma di colori è molto più grande che ai tempi di Claude: non solo il riempimento del gas, ma il rivestimento all’interno del tubo, è variato, ottenendo una varietà di colori da tutto lo spettro.

Anche se l’insegna al neon è la sua applicazione più conosciuta, il neon è usato per molte altre cose. Le lampade al neon sono spesso usate per indicare le impostazioni on/off sui pannelli degli strumenti elettronici, e lampade al neon leggere si trovano su macchine che vanno dai computer ai regolatori di tensione. Infatti, il primo televisore a colori pratico, prodotto nel 1928, usava un tubo al neon per produrre il colore rosso nel ricevitore. Il verde veniva dal mercurio, ma la luce blu in quel primo televisore a colori veniva da un altro gas nobile, l’elio.

ELIO.

L’elio, naturalmente, è ampiamente conosciuto per il suo uso nei palloni, sia per i grandi dirigibili che per i palloni che hanno dato gioia e divertimento a molti bambini. Sebbene l’elio sia molto più costoso dell’idrogeno come mezzo per fornire galleggiamento ai dirigibili, l’idrogeno è estremamente infiammabile, e dopo la famigerata esplosione del dirigibile Hindenburg nel 1937, l’elio divenne il mezzo preferito per i dirigibili. Come notato in precedenza, l’esercito degli Stati Uniti fece ampio uso di dirigibili riempiti di elio durante la seconda guerra mondiale.

L’uso dell’elio per il galleggiamento è una delle applicazioni più importanti di questo gas nobile, ma non è l’unica. Infatti, non solo le persone hanno usato l’elio per andare in alto nei palloni, ma i subacquei lo usano per scendere sotto la superficie dell’oceano. In quella situazione, naturalmente, l’elio non è usato per fornire galleggiamento, ma come mezzo di protezione contro la condizione legata alle immersioni conosciuta come “le curve”, che si verifica quando l’azoto nel sangue bolle quando il subacqueo sale in superficie. L’elio è mescolato con l’ossigeno nelle bombole d’aria dei sommozzatori perché non si dissolve nel sangue così facilmente come l’azoto.

Tra le applicazioni più affascinanti dell’elio ci sono quelle relative al suo punto di congelamento straordinariamente basso. L’elio ha giocato un ruolo significativo nella scienza delle basse temperature conosciuta come criogenia, e ha trovato applicazione nella ricerca sulla superconduttività: l’uso di temperature molto basse per sviluppare materiali che conducono energia elettrica con un’efficienza molto maggiore dei conduttori ordinari. Vicino allo zero assoluto, l’elio si trasforma in un liquido molto insolito, diverso da qualsiasi sostanza conosciuta, in quanto non ha una resistenza misurabile al flusso. Questo significa che potrebbe trasportare una corrente elettrica in modo centinaia di volte più efficiente di un filo di rame.

DOVE IMPARARE DI PIÙ

“La chimica dei gas rari” (sito web). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (13 maggio 2001).

“Homework: Scienza: Chimica: Gas” Channelone.com (sito web). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (12 maggio 2001).

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

Mebane, Robert C. and Thomas R. Rybolt. Aria e altri gas. Illustrazioni di Anni Matsick. New York: Twenty-First Century Books, 1995.

“Noble Gases” Xrefer.com (sito web). <http://www.xrefer.com/entry/643259> (13 maggio 2001).

Gas rari. Praxair (sito web). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (13 maggio 2001).

Stwertka, Albert. Superconduttori: The Irresistible Future. New York: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Fatti su Radon e amianto. Illustrato da Ian Moores. New York: F. Watts, 1990.