Gases Nobres

CONCEITO

A coluna extrema direita da tabela periódica de elementos é um grupo conhecido como os gases nobres: hélio, néon, argônio, crípton, xenônio e rádon. Também conhecidos como os gases raros, eles uma vez foram chamados de gases inertes, porque os cientistas acreditavam que eram incapazes de reagir com outros elementos. Por mais raros que sejam, esses gases fazem parte da vida cotidiana, como evidenciado pelo hélio em balões, o néon em sinais – e o rádon nocivo em alguns lares americanos.

COMO FUNCIONA

Definindo os Gases Nobres

A tabela periódica de elementos é ordenada pelo número de prótons no núcleo de um átomo para um dado elemento (o número atómico), no entanto a tabela também é organizada de tal forma que elementos com características semelhantes são agrupados. É o caso do Grupo 8, às vezes chamado de Grupo 18, uma coleção de não metais conhecidos como gases nobres. Os seis gases nobres são hélio (He), néon (Ne), argônio (Ar), crípton (Kr), xenônio (Xe) e rádon (Rn). Seus números atômicos são, respectivamente, 2, 10, 18, 36, 54, e 86,

Características transversais, além da sua colocação na tabela periódica, definem os gases nobres. Obviamente, todos são gases, o que significa que só formam líquidos ou sólidos a temperaturas extremamente baixas – temperaturas que, pelo menos na Terra, normalmente só são conseguidas em laboratório. São incolores, inodoros e insípidos, assim como monatomicamente significam que existem como átomos individuais, e não em moléculas. (Em contraste, átomos de oxigênio – um outro gás, embora não estejam neste grupo – normalmente combinam para formar uma molécula, O2.)

Baixa reatividade

Existe uma razão pela qual átomos de gás nobre tendem a não se combinar: uma das características definidoras da “família” de gás nobre é sua falta de reatividade química. Ao invés de reagir ou se ligar a outros elementos, os gases nobres tendem a permanecer aparte do nome “nobre”, o que implica em alguém ou algo que se diferencia da multidão, por assim dizer. Devido à sua aparente falta de reatividade, os gases nobres – também conhecidos como gases raros – já foram conhecidos como gases inertes.

Indeed, hélio, néon e argônio não foram encontrados para se combinar com outros elementos para formar compostos. No entanto, em 1962 o químico inglês Neil Bartlett (1932-) conseguiu preparar um composto de xenônio com platina e flúor (XePtF6), derrubando assim a idéia de que os gases nobres eram inteiramente “inertes”. Desde então, numerosos compostos de xenônio com outros elementos, principalmente oxigênio e flúor, foram desenvolvidos. O flúor também tem sido usado para formar compostos simples com krypton e radon.

Nonetheless, baixa reatividade – em vez de nenhuma reatividade, como antigamente tinha sido pensado – caracteriza os gases raros. Um dos fatores que regem a reatividade de um elemento é a sua configuração eletrônica, e os elétrons dos gases nobres estão dispostos de forma a desencorajar a ligação com outros elementos.

Aplicações da vida real

Isolamento dos gases nobres

HELIUM.

Helium é um elemento incomum em muitos aspectos – não menos porque é o único elemento a ter sido identificado pela primeira vez no Sistema Solar antes de ter sido descoberto na Terra. Isto é significativo, porque os elementos na Terra são os mesmos que os encontrados no espaço: assim, é mais do que apenas uma tentativa de soar poético quando os cientistas dizem que os humanos, assim como o mundo à sua volta, são feitos “do material das estrelas”

Em 1868, um astrônomo francês chamado Pierre Janssen (1824-1907) estava na Índia para observar um eclipse solar total. Para ajudá-lo em suas observações, ele usou um espectroscópio, um instrumento para analisar o espectro da luz emitida por um objeto. O que o espectroscópio de Janssen mostrou foi surpreendente: uma linha amarela no espectro, nunca vista antes, que parecia indicar a presença de um elemento previamente não descoberto. Janssen chamou-lhe “hélio” depois do deus grego Helios, ou Apolo, a quem os antigos associados com o Sol.

Janssen partilhou as suas descobertas com o astrónomo inglês Sir Joseph Lockyer (1836-1920), que tinha uma reputação mundial pelo seu trabalho na análise das ondas de luz. Lockyer também acreditava que o que Janssen tinha visto era um novo elemento, e alguns meses mais tarde, ele observou as mesmas linhas espectrais incomuns. Naquela época, o espectroscópio ainda era uma nova invenção, e muitos membros da comunidade científica mundial duvidavam de sua utilidade e, portanto, apesar da reputação de Lockyer, questionavam a existência desse elemento “novo”. No entanto, durante as suas vidas, Janssen e Lockyer provaram estar certos.

NEON, ARGON, KRYPTON e XENON.

Tiveram de esperar um quarto de século, no entanto. Em 1893, o químico inglês Sir William Ramsay (1852-1916) ficou intrigado com a presença de uma misteriosa bolha de gás que sobrou quando o nitrogênio da atmosfera foi combinado com o oxigênio. Este era um fenómeno que também tinha sido notado pelo físico inglês Henry Cavendish (1731-1810) mais de um século antes, mas Cavendish não podia oferecer nenhuma explicação. Ramsay, por outro lado, teve o benefício de observações feitas pelo físico inglês John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919).

Aquele tempo, os cientistas acreditavam que o ar consistia apenas de oxigênio, dióxido de carbono e vapor de água. Entretanto, Rayleigh tinha notado que quando o nitrogênio era extraído do ar após a remoção desses outros componentes, ele tinha uma densidade ligeiramente maior do que o nitrogênio preparado a partir de uma reação química. luz de suas próprias observações, Ramsay concluiu que enquanto o nitrogênio obtido de reações químicas era puro, o nitrogênio extraído do ar continha traços de um gás desconhecido.

Ramsay estava errado em apenas um aspecto: escondido com o nitrogênio não era um gás, mas cinco. Para isolar esses gases, Ramsay e Rayleigh submeteram o ar a uma combinação de alta pressão e baixa temperatura, permitindo que os vários gases fervessem a diferentes temperaturas. Um dos gases era o hélio – a primeira confirmação de que o elemento existia na Terra – mas os outros quatro gases eram anteriormente desconhecidos. As raízes gregas dos nomes dados aos quatro gases refletiram a maravilha dos cientistas em descobrir estes elementos difíceis de encontrar: neos (novos), argos (em ativo), kryptos (escondidos) e xenônio (estranho).

RADON.

Inspirado pelos estudos da física e química polaco-francesa Marie Curie (1867-1934) sobre o elemento rádio e o fenômeno da radioatividade (ela descobriu o elemento, e cunhou o último termo), o físico alemão Friedrich Dorn (1848-1916) ficou fascinado com o rádio. Ao estudar o elemento, ele descobriu que ele emitia um gás radioativo, que ele chamou de “emanação do rádio”. Eventualmente, no entanto, ele percebeu que o que estava sendo produzido era um novo elemento. Esta foi a primeira prova clara de que um elemento poderia tornar-se outro através do processo de decaimento radioativo.

Ramsay, que junto com Rayleigh tinha recebido o Prêmio Nobel em 1904 por seu trabalho sobre os gases nobres, foi capaz de mapear as linhas espectrais do novo elemento e determinar sua densidade e massa atômica. Alguns anos mais tarde, em 1918, outro cientista chamado C. Schmidt deu-lhe o nome de “radão”. Devido ao seu comportamento e à configuração de seus elétrons, os químicos classificaram o rádon entre o que eles continuaram a chamar de “gases inertes” para mais meio século – até a preparação de compostos de xenônio por Bartlett em 1962.

Presença dos Gases Raros na Terra

Na ATMOSFERA.

Embora os raros gases sejam encontrados em minerais e meteoritos na Terra, sua maior presença é na atmosfera do planeta. Acredita-se que eles foram lançados no ar há muito tempo como um subproduto da decomposição dos materiais radioativos na crosta terrestre. Dentro da atmosfera, o argônio é o mais “abundante” – em termos comparativos, dado que os “gases raros” são, por definição, raros.

Nitrogênio constitui cerca de 78% da atmosfera da Terra e oxigênio 21%, o que significa que estes dois elementos constituem totalmente 99% do ar acima da Terra. O Argônio ocupa um terço distante, com 0,93%. Os restantes 0,07% são compostos por vapor de água, dióxido de carbono, ozono (O3) e vestígios dos gases nobres. Estes estão presentes em quantidades tão pequenas que os valores para eles não são normalmente apresentados como percentagens, mas sim em termos de partes por milhão (ppm). As concentrações de néon, hélio, crípton e xenônio na atmosfera são de 18, 5, 1 e 0,09 ppm respectivamente.

NO SOLO.

Radon na atmosfera é praticamente insignificante, o que é uma coisa afortunada, à luz das suas qualidades radioativas. Poucos americanos, na verdade, até sabiam de sua existência até 1988, quando a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) divulgou um relatório estimando que cerca de dez milhões de lares americanos tinham níveis de rádon potencialmente nocivos. Isso assustou e, durante o final dos anos 1980 e 1990, as vendas de detectores de rádon domésticos dispararam. Enquanto isso, o governo federal aumentou as preocupações com relatórios adicionais, aconselhando as pessoas a selar seus porões e ventilar suas casas se o rádon excedesse certos níveis.

Um número de cientistas contestou as reivindicações do governo, mas algumas regiões dos Estados Unidos parecem estar em risco relativamente alto devido à presença de rádon no solo. O elemento parece ser mais abundante nos solos que contêm altas concentrações de urânio. Se o rádon está presente em uma casa que foi selada para melhorar a eficiência dos sistemas de aquecimento e resfriamento, ele é de fato potencialmente perigoso para os residentes.

Os cientistas chineses nos anos 60 fizeram uma interessante descoberta sobre o rádon e sua aplicação à sismografia, ou a área das ciências da terra dedicada ao estudo e previsão de terremotos. Os níveis de rádon nas águas subterrâneas, mostraram os relatórios chineses, aumentam consideravelmente pouco antes de um terremoto. Desde então, os chineses têm monitorado as concentrações de rádon na água, e usaram esses dados para prever terremotos.

EXTRATANDO GASES RAROS.

Radon, na verdade, não é o único gás raro que pode ser obtido como resultado da decadência radioativa: em 1903, Ramsay e o químico britânico Frederick Soddy (1877-1956) mostraram que a decomposição do urânio ou do rádio resulta na produção de átomos de hélio (partículas beta). Alguns anos mais tarde, o físico inglês Ernest Rutherford (1871-1937) demonstrou que a radiação portadora de uma carga elétrica positiva (raios alfa) era na verdade um fluxo de átomos de hélio despojado de um elétron.

Muitos dos gases nobres são extraídos através da liquefação do ar – isto é, reduzindo-o a temperaturas nas quais assume as propriedades de um líquido e não de um gás. Ao controlar as temperaturas no ar liquefeito, é possível atingir o ponto de ebulição de um determinado gás nobre e assim extraí-lo, como foi feito quando estes gases foram isolados pela primeira vez na década de 1890.

A SITUAÇÃO ÚNICO DO HÉLIUM.

O Hélio é notável, na medida em que só se liquefaz a uma temperatura de -457,6°F (-272°C), logo acima do zero absoluto. Zero absoluto é a temperatura em que o movimento dos átomos ou moléculas chega a uma paragem virtual, mas o movimento dos átomos de hélio nunca cessa completamente. Para liquidificá-lo, de fato, mesmo naquelas baixas temperaturas, ele deve ser submetido a pressões muitas vezes exercidas pela atmosfera terrestre.

Dados estes fatos, é difícil extrair hélio do ar. Mais frequentemente, ele é obtido de poços de gás natural, onde está presente em concentrações relativamente grandes – entre 1% e 7% do gás natural. A maioria do suprimento de hélio da Terra pertence aos Estados Unidos, onde a maior abundância de poços de suprimento de hélio está no Texas, Oklahoma, e Kansas. Durante a Segunda Guerra Mundial, os Estados Unidos aproveitaram este fornecimento de hélio relativamente barato para fornecer flutuabilidade para uma frota de aeronaves usadas para o reconhecimento.

Há um lugar com um fornecimento abundante de hélio, mas não há planos para uma expedição de mineração em breve. Esse lugar é o Sol, onde a fusão nuclear de átomos de hidrogênio cria o hélio. Na verdade, o hélio parece ser o elemento mais abundante de todos, depois do hidrogênio, constituindo 23% da massa total do universo. Por que, então, é tão difícil de obter na Terra? Muito provavelmente porque é tão leve em comparação com o ar; simplesmente flutua no espaço.

Aplicações para os Gases Nobres

RADÃO, ARGÃO, KRYPTON E XENÃO.

Pois o rádon é conhecido principalmente pelos perigos que representa para a vida e o bem-estar humano, ele tem aplicações úteis. Como já mencionado, a sua presença nas águas subterrâneas parece fornecer um possível meio de previsão de terramotos. Além disso, ele é usado para detectar vazamentos, medir taxas de fluxo e inspecionar soldas metálicas.

Um uso interessante do argônio e, em particular, do isótopo estável argônio-40, está nas técnicas de datação usadas por geólogos, paleontólogos e outros cientistas que estudam o passado distante. Quando as rochas vulcânicas são sujeitas a temperaturas extremamente altas, elas liberam argônio, e à medida que as rochas esfriam, o argônio-40 se acumula. Como o argônio-40 é formado pelo decaimento radioativo de um isótopo de potássio, o potássio-40, a quantidade de argônio-40 que se forma é proporcional à taxa de decaimento do potássio-40. Este último tem uma meia-vida de 1,3 bilhões de anos, o que significa que leva 1,3 bilhões de anos para que metade do potássio-40 originalmente presente seja convertido em argônio-40. Usando argon-40, os paleontólogos têm sido capazes de estimar a idade das camadas vulcânicas acima e abaixo dos restos fósseis e artefatos na África Oriental.

Krypton tem uma série de aplicações especializadas – por exemplo, é misturado com argon e utilizado na fabricação de janelas com um alto nível de eficiência térmica. Utilizado em lasers, é frequentemente misturado com um halogênio como o flúor. Além disso, por vezes também é utilizado em faróis de halogéneo selados. Muitos fãs do Super-Homem, sem dúvida, ficaram desapontados em algum momento de suas vidas ao descobrir que não existe algo como “kryptonite”, o elemento fictício que fez com que o Homem de Aço perdesse sua lendária força. No entanto, o krypton – a coisa real – tem aplicações que estão literalmente fora deste mundo. No desenvolvimento do combustível para a exploração espacial, krypton está em competição com o seu elemento irmão, o xenônio. Xenon oferece melhor desempenho, mas custa cerca de dez vezes mais para produzir; assim, krypton tornou-se mais atraente como combustível para voos espaciais.

Além do seu potencial como combustível espacial, o xenon é usado em lâmpadas de arco para projeção de filmes de movimento, em lâmpadas de radiação ultravioleta de alta pressão e em lâmpadas de flash especializadas usadas por fotógrafos. Um isótopo particular de xenônio é utilizado para traçar o movimento das areias ao longo de uma linha costeira. Xenon também é aplicado em física de alta energia para a detecção de radiação nuclear em câmaras de bolhas. Além disso, os neurocientistas estão experimentando o uso de xenônio em procedimentos diagnósticos para esclarecer imagens de raios X do cérebro humano.

NEON.

Neon, claro, é mais conhecido por sua aplicação em sinais de néon, que produzem um brilho chamativo quando iluminados à noite. O químico francês Georges Claude (1870-1960), intrigado pela descoberta do néon por Ramsay, conduziu experiências que levaram ao desenvolvimento da luz do néon em 1910. Essa primeira luz de néon era simplesmente um tubo de vidro cheio de gás de néon, que brilhava um vermelho brilhante quando carregado com eletricidade.

Claude eventualmente descobriu que misturar outros gases com néon produzia diferentes cores de luz. Ele também experimentou com variações nas formas dos tubos de vidro para criar letras e imagens. Na década de 1920, a luz de néon tinha entrado na moda, e ainda hoje é popular. As modernas lâmpadas de néon são normalmente feitas de plástico em vez de vidro, e a gama de cores é muito maior do que na época de Claude: não apenas o enchimento de gás, mas o revestimento dentro do tubo, é variado, resultando em uma variedade de cores de todo o espectro.

Embora o letreiro de néon seja sua aplicação mais conhecida, o néon é usado para muitas outras coisas. As lâmpadas de néon são frequentemente usadas para indicar as configurações de ligar/desligar nos painéis de instrumentos eletrônicos, e as lâmpadas de néon leves são encontradas em máquinas que vão desde computadores até reguladores de voltagem. Na verdade, a primeira televisão prática a cores, produzida em 1928, usou um tubo de néon para produzir a cor vermelha no receptor. O verde veio do mercúrio, mas a luz azul naquela TV a cores veio de outro gás nobre, o hélio.

HELIUM.

Helium, claro, é amplamente conhecido pelo seu uso em balões – tanto para grandes aeronaves como para os balões que proporcionaram alegria e diversão a muitas crianças pequenas. Embora o hélio seja muito mais caro do que o hidrogênio como meio de proporcionar flutuabilidade aos dirigíveis, o hidrogênio é extremamente inflamável, e após a infame explosão do dirigível Hindenburg em 1937, o hélio tornou-se o meio preferido para os dirigíveis. Como observado anteriormente, os militares dos Estados Unidos fizeram amplo uso de dirigíveis cheios de hélio durante a Segunda Guerra Mundial.

O uso do hélio para flutuação é uma das aplicações mais proeminentes deste gás nobre, mas longe de ser a única. Na verdade, não só as pessoas usam hélio para subir em balões, como os mergulhadores usam hélio para descer sob a superfície do oceano. Nessa situação, é claro, o hélio não é usado para proporcionar flutuabilidade, mas como um meio de proteção contra a condição relacionada ao mergulho conhecida como “as curvas”, que ocorre quando o nitrogênio nas bolhas de sangue quando os mergulhadores sobem à superfície. O hélio é misturado com oxigênio nos tanques de ar do mergulhador porque não se dissolve no sangue tão facilmente como o nitrogênio.

Durante as aplicações mais fascinantes do hélio, o seu ponto de congelamento é extraordinariamente baixo. O hélio tem desempenhado um papel significativo na ciência da baixa temperatura conhecida como criogenia, e tem encontrado aplicação em pesquisas sobre supercondutividade: o uso de temperaturas muito baixas para desenvolver materiais que conduzam energia elétrica com uma eficiência muito maior do que os condutores comuns. Próximo do zero absoluto, o hélio se transforma em um líquido altamente incomum, diferente de qualquer substância conhecida, na medida em que não possui resistência mensurável ao fluxo. Isto significa que ele poderia transportar uma corrente elétrica centenas de vezes mais eficiente do que um fio de cobre.

AQUI APRENDER MAIS

“A Química dos Gases Raros” (Web site). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (13 de maio de 2001).

“Trabalho de casa”: Ciência: A Química: Gases” Channelone.com (Web site). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (12 de maio de 2001).

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Mebane, Robert C. e Thomas R. Rybolt. Ar e Outros Gases. Ilustrações de Anni Matsick. Nova York: Twenty-First Century Books, 1995.

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