Gazele nobile

CONCEPT

În coloana din extrema dreaptă a tabelului periodic al elementelor se află un grup cunoscut sub numele de gaze nobile: heliu, neon, argon, kripton, xenon și radon. Cunoscute și sub numele de gaze rare, acestea au fost numite cândva gaze inerte, deoarece oamenii de știință le considerau incapabile să reacționeze cu alte elemente. Cu toate că sunt rare, aceste gaze fac parte din viața de zi cu zi, după cum o demonstrează heliul din baloane, neonul din panouri – și radonul dăunător din unele case americane.

CUM FUNCȚIONEAZĂ

Definirea gazelor nobile

Tabloul periodic al elementelor este ordonat în funcție de numărul de protoni din nucleul unui atom pentru un anumit element (numărul atomic), însă tabelul este, de asemenea, aranjat în așa fel încât elementele cu caracteristici similare sunt grupate împreună. Acesta este cazul Grupului 8, care este uneori numit Grupul 18, o colecție de nemetale cunoscute sub numele de gaze nobile. Cele șase gaze nobile sunt heliu (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe) și radon (Rn). Numerele lor atomice sunt, respectiv, 2, 10, 18, 36, 54 și 86.

Câteva caracteristici, în afară de plasarea lor în tabelul periodic, definesc gazele nobile. Evident, toate sunt gaze, ceea ce înseamnă că ele formează lichide sau solide doar la temperaturi extrem de scăzute – temperaturi care, cel puțin pe Pământ, sunt de obicei atinse doar în laborator. Ele sunt incolore, inodore și insipide, precum și monatomice – ceea ce înseamnă că există sub formă de atomi individuali, mai degrabă decât în molecule. (Prin contrast, atomii de oxigen – un alt gaz, deși nu face parte din acest grup – se combină de obicei pentru a forma o moleculă, O2.)

Reactivitate scăzută

Există un motiv pentru care atomii de gaze nobile tind să nu se combine: una dintre caracteristicile definitorii ale „familiei” gazelor nobile este lipsa lor de reactivitate chimică. În loc să reacționeze cu alte elemente sau să se unească cu ele, gazele nobile tind să rămână separate – de aici și denumirea de „nobil”, care implică cineva sau ceva care este pus deoparte de mulțime, ca să spunem așa. Datorită aparentei lor lipse de reactivitate, gazele nobile – cunoscute și sub numele de gaze rare – au fost cunoscute cândva ca gaze inerte.

De fapt, nu s-a constatat că heliul, neonul și argonul se combină cu alte elemente pentru a forma compuși. Cu toate acestea, în 1962, chimistul englez Neil Bartlett (1932-) a reușit să pregătească un compus al xenonului cu platină și fluor (XePtF6), răsturnând astfel ideea că gazele nobile erau în întregime „inerte”. De atunci, au fost elaborați numeroși compuși ai xenonului cu alte elemente, mai ales cu oxigen și fluor. Fluorul a fost, de asemenea, utilizat pentru a forma compuși simpli cu kriptonul și radonul.

Cu toate acestea, reactivitatea scăzută – în loc de lipsa de reactivitate, așa cum se credea anterior – caracterizează gazele rare. Unul dintre factorii care guvernează reactivitatea unui element este configurația electronică a acestuia, iar electronii gazelor rare sunt dispuși în așa fel încât să descurajeze legarea cu alte elemente.

APLICAȚII ÎN VIAȚA REALĂ

Isolarea gazelor nobile

HELIU.

Heliul este un element neobișnuit în multe privințe – nu în ultimul rând pentru că este singurul element care a fost identificat pentru prima dată în sistemul solar înainte de a fi descoperit pe Pământ. Acest lucru este semnificativ, deoarece elementele de pe Pământ sunt aceleași cu cele găsite în spațiu: astfel, este mai mult decât o simplă încercare de a suna poetic atunci când oamenii de știință spun că oamenii, precum și lumea din jurul lor, sunt făcuți din „materia stelelor.”

În 1868, un astronom francez pe nume Pierre Janssen (1824-1907) se afla în India pentru a observa o eclipsă totală de soare. Pentru a-l ajuta în observațiile sale, el a folosit un spectroscop, un instrument de analiză a spectrului de lumină emis de un obiect. Ceea ce a arătat spectroscopul lui Janssen a fost surprinzător: o linie galbenă în spectru, nemaiîntâlnită până atunci, care părea să indice prezența unui element nedescoperit până atunci. Janssen l-a numit „heliu”, după numele zeului grec Helios, sau Apollo, pe care anticii îl asociau cu Soarele.

Janssen și-a împărtășit descoperirile cu astronomul englez Sir Joseph Lockyer (1836-1920), care avea o reputație mondială pentru activitatea sa de analiză a undelor luminoase. Lockyer, de asemenea, a crezut că ceea ce văzuse Janssen era un element nou și, câteva luni mai târziu, a observat aceleași linii spectrale neobișnuite. La acea vreme, spectroscopul era încă o invenție nouă, iar mulți membri ai comunității științifice mondiale se îndoiau de utilitatea sa și, prin urmare, în ciuda reputației lui Lockyer, au pus la îndoială existența acestui „nou” element. Cu toate acestea, în timpul vieții lor, Janssen și Lockyer s-au dovedit a avea dreptate.

NEON, ARGON, KRYPTON ȘI XENON.

Au trebuit să aștepte totuși un sfert de secol. În 1893, chimistul englez Sir William Ramsay (1852-1916) a fost intrigat de prezența unei misterioase bule de gaz rămase atunci când azotul din atmosferă a fost combinat cu oxigenul. Acesta era un fenomen care fusese observat și de fizicianul englez Henry Cavendish (1731-1810) cu mai bine de un secol înainte, dar Cavendish nu a putut oferi nicio explicație. Ramsay, pe de altă parte, a beneficiat de observațiile făcute de fizicianul englez John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919).

Până în acel moment, oamenii de știință credeau că aerul era format doar din oxigen, dioxid de carbon și vapori de apă. Cu toate acestea, Rayleigh observase că atunci când azotul era extras din aer după unproces de îndepărtare a acelor alte componente, acesta avea o densitate ușor mai mare decât azotul preparat în urma unei reacții chimice. În lumina propriilor sale observații, Ramsay a concluzionat că, în timp ce azotul obținut din reacții chimice era pur, azotul extras din aer conținea urme de un gaz necunoscut.

Ramsay s-a înșelat într-o singură privință: ascuns cu azotul nu era un gaz, ci cinci. Pentru a izola aceste gaze, Ramsay și Rayleigh au supus aerul la o combinație de presiune ridicată și temperatură scăzută, permițând diferitelor gaze să fiarbă la temperaturi diferite. Unul dintre gaze era heliu – prima confirmare a existenței acestui element pe Pământ – dar celelalte patru gaze erau necunoscute până atunci. Rădăcinile grecești ale numelor date celor patru gaze reflectau uimirea oamenilor de știință la descoperirea acestor elemente greu de găsit: neos (nou), argos (în activitate), kryptos (ascuns) și xenon (străin).

RADON.

Inspirat de studiile fizicianului și chimistului franco-polonez Marie Curie (1867-1934) cu privire la elementul radiu și la fenomenul radioactivității (ea a descoperit elementul și a inventat acest din urmă termen), fizicianul german Friedrich Dorn (1848-1916) a devenit fascinat de radiu. Studiind elementul, el a descoperit că acesta emite un gaz radioactiv, pe care l-a numit „emanație de radiu”. În cele din urmă, însă, și-a dat seama că ceea ce se producea era un element nou. Aceasta a fost prima dovadă clară că un element poate deveni un alt element prin procesul de dezintegrare radioactivă.

Ramsay, care, împreună cu Rayleigh, primise Premiul Nobel în 1904 pentru lucrările sale asupra gazelor nobile, a reușit să cartografieze liniile spectrale ale noului element și să-i determine densitatea și masa atomică. Câțiva ani mai târziu, în 1918, un alt om de știință pe nume C. Schmidt i-a dat numele de „radon”. Datorită comportamentului său și a configurației electronilor săi, chimiștii au clasificat radonul printre ceea ce au continuat să numească „gaze inerte” pentru încă o jumătate de secol – până la prepararea de către Bartlett a compușilor de xenon în 1962.

Prezența gazelor rare pe Pământ

În atmosferă.

Deși gazele rare se găsesc în minerale și meteoriți pe Pământ, cea mai mare prezență a lor este în atmosfera planetei. Se crede că ele au fosteliberate în aer cu mult timp în urmă ca un produs secundar al descompunerii din partea materialelor radioactive din scoarța terestră. În cadrul atmosferei, argonul este cel mai „abundent” – în termeni comparativi, dat fiind faptul că „gazele rare” sunt, prin definiție, rare.

Nitrogenul reprezintă aproximativ 78% din atmosfera Pământului și oxigenul 21%, ceea ce înseamnă că aceste două elemente constituie în totalitate 99% din aerul de deasupra Pământului. Argonul se situează pe un îndepărtat al treilea loc, cu 0,93%. Restul de 0,07% este alcătuit din vapori de apă, dioxid de carbon, ozon (O3) și urme de gaze nobile. Acestea sunt prezente în cantități atât de mici încât cifrele pentru ele nu sunt de obicei prezentate ca procente, ci mai degrabă în termeni de părți pe milion (ppm). Concentrațiile de neon, heliu, kripton și xenon în atmosferă sunt de 18, 5, 1 și, respectiv, 0,09 ppm.

În sol.

Radonul în atmosferă este practic neglijabil, ceea ce este un lucru norocos, având în vedere calitățile sale radioactive. Puțini americani, de fapt, știau măcar de existența sa până în 1988, când Agenția de Protecție a Mediului din Statele Unite (EPA) a publicat un raport care estima că aproximativ zece milioane de locuințe americane aveau niveluri de radon potențial dăunătoare. Acest lucru a declanșat o spaimă, iar la sfârșitul anilor 1980 și în anii 1990, vânzările de detectoare de radon pentru locuințe au explodat. Între timp, guvernul federal a sporit îngrijorările cu rapoarte suplimentare, sfătuindu-i pe oameni să își etanșeze subsolurile și să își ventileze casele dacă radonul depășea anumite niveluri.

O serie de oameni de știință au contestat afirmațiile guvernului, însă unele regiuni din Statele Unite par să fie expuse unui risc relativ ridicat din cauza prezenței radonului în sol. Elementul pare să fie cel mai abundent în solurile care conțin concentrații ridicate de uraniu. Dacă radonul este prezent într-o locuință care a fost etanșată la intemperii pentru a îmbunătăți eficiența sistemelor de încălzire și răcire, acesta este într-adevăr potențial periculos pentru locuitori.

Cercetătorii chinezi din anii 1960 au făcut o descoperire interesantă în ceea ce privește radonul și aplicarea sa la seismografie, sau domeniul științelor pământului dedicat studiului și predicției cutremurelor. Nivelurile de radon din apele subterane, au arătat rapoartele chinezești, cresc considerabil chiar înainte de un cutremur. De atunci, chinezii au monitorizat concentrațiile de radon din apă și au folosit aceste date pentru a prezice cutremurele.

EXTRAGEREA GAZELOR RARE.

Radonul, de fapt, nu este singurul gaz rar care poate fi obținut ca rezultat al dezintegrării radioactive: în 1903, Ramsay și chimistul britanic Frederick Soddy (1877-1956) au arătat că descompunerea fie a uraniului, fie a radiului duce la producerea de atomi de heliu (particule beta). Câțiva ani mai târziu, fizicianul englez Ernest Rutherford (1871-1937) a demonstrat că radiațiile purtătoare de sarcină electrică pozitivă (raze alfa) sunt de fapt un flux de atomi de heliu lipsiți de un electron.

Multe dintre gazele nobile sunt extrase prin lichefierea aerului – adică prin reducerea acestuia la temperaturi la care capătă proprietățile unui lichid și nu ale unui gaz. Prin controlul temperaturilor din aerul lichefiat, este posibil să se atingă punctul de fierbere pentru un anumit gaz nobil și astfel să fie extras, la fel cum s-a procedat atunci când aceste gaze au fost izolate pentru prima dată în anii 1890.

SITUAȚIA UNICĂ A HELIULUI.

Heliul este remarcabil, prin faptul că se lichefiază doar la o temperatură de -272°C (-457,6°F), puțin peste zero absolut. Zero absolut este temperatura la care mișcarea atomilor sau a moleculelor se oprește virtual, dar mișcarea atomilor de heliu nu încetează niciodată complet. De fapt, pentru a-l lichefia, chiar și la aceste temperaturi scăzute, el trebuie supus unor presiuni de multe ori mai mari decât cele exercitate de atmosfera terestră.

Datorită acestor fapte, este dificil de extras heliu din aer. Mai des, acesta este obținut din puțuri de gaze naturale, unde este prezent în concentrații relativ mari – între 1% și 7% din gazul natural. Cea mai mare parte a rezervei de heliu de pe Pământ aparține Statelor Unite, unde cea mai mare abundență de puțuri furnizoare de heliu se află în Texas, Oklahoma și Kansas. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, Statele Unite au profitat de această rezervă de heliu relativ ieftină pentru a asigura flotabilitatea unei flote de dirijabile folosite pentru recunoaștere.

Există un loc cu o rezervă abundentă de heliu, dar nu există planuri pentru o expediție minieră prea curând. Acel loc este Soarele, unde fuziunea nucleară a atomilor de hidrogen creează heliu. Într-adevăr, heliul pare să fie cel mai abundent element dintre toate, după hidrogen, constituind 23% din masa totală a universului. Atunci, de ce este atât de greu de obținut pe Pământ? Cel mai probabil pentru că este atât de ușor în comparație cu aerul; pur și simplu plutește în spațiu.

Aplicații pentru gazele nobile

RADON, ARGON, KRYPTON ȘI XENON.

Deși radonul este cunoscut în primul rând pentru pericolele pe care le prezintă pentru viața și bunăstarea oamenilor, el are aplicații utile. După cum s-a menționat mai sus, prezența sa în apele subterane pare să ofere un posibil mijloc de prezicere a cutremurelor. În plus, este utilizat pentru detectarea scurgerilor, măsurarea debitelor și inspectarea sudurilor metalice.

O utilizare interesantă a argonului și, în special, a izotopului stabil argon-40, este în tehnicile de datare utilizate de geologi, paleontologi și alți oameni de știință care studiază trecutul îndepărtat. Atunci când rocile vulcanice sunt supuse la temperaturi extrem de ridicate, ele eliberează argon, iar pe măsură ce rocile se răcesc, argonul-40 se acumulează. Deoarece argonul-40 se formează prin dezintegrarea radioactivă a unui izotop al potasiului, potasiu-40, cantitatea de argon-40 care se formează este proporțională cu rata de dezintegrare a potasiului-40. Acesta din urmă are un timp de înjumătățire de 1,3 miliarde de ani, ceea ce înseamnă că este nevoie de 1,3 miliarde de ani pentru ca jumătate din potasiul-40 prezent inițial să fie transformat în argon-40. Folosind argon-40, paleontologii au putut estima vârsta straturilor vulcanice de deasupra și de dedesubtul rămășițelor de fosile și artefacte din Africa de Est.

Criptonul are o serie de aplicații specializate – de exemplu, este amestecat cu argon și folosit la fabricarea ferestrelor cu un nivel ridicat de eficiență termică. Folosit în lasere, este adesea amestecat cu un halogen precum fluorul. În plus, este, de asemenea, utilizat uneori în farurile cu halogen sigilate. Mulți fani ai lui Superman, fără îndoială, au fost dezamăgiți la un moment dat să descopere că nu există „kryptonită”, elementul fictiv care l-a făcut pe Omul de Oțel să își piardă puterea legendară. Cu toate acestea, krypton – lucrul real – are aplicații care sunt literalmente din altă lume. În dezvoltarea combustibilului pentru explorarea spațială, kriptonul este în competiție cu elementul său soră, xenonul. Xenonul oferă performanțe mai bune, dar costă de aproximativ zece ori mai mult pentru a fi produs; astfel, criptonul a devenit mai atractiv ca și combustibil pentru zborurile spațiale.

În plus față de potențialul său ca și combustibil spațial, xenonul este utilizat în lămpile cu arc electric pentru proiecția filmelor cinematografice, în lămpile de radiații ultraviolete de înaltă presiune și în blițurile specializate folosite de fotografi. Un anumit izotop al xenonului este utilizat pentru urmărirea mișcării nisipului de-a lungul unei linii de coastă. Xenonul este, de asemenea, utilizat în fizica energiilor înalte pentru detectarea radiațiilor nucleare în camere cu bule. Mai mult, neurologii experimentează utilizarea xenonului în procedurile de diagnosticare pentru a clarifica imaginile cu raze X ale creierului uman.

NEON.

Neonul, bineînțeles, este cel mai bine cunoscut pentru aplicarea sa în panourile de neon, care produc o strălucire atrăgătoare pentru ochi atunci când sunt aprinse pe timp de noapte. Chimistul francez Georges Claude (1870-1960), intrigat de descoperirea neonului de către Ramsay, a efectuat experimente care au dus la dezvoltarea luminii de neon în 1910. Acea primă lumină de neon era pur și simplu un tub de sticlă umplut cu gaz neon, care strălucea de un roșu aprins atunci când era încărcat cu electricitate.

Claude a descoperit în cele din urmă că amestecarea altor gaze cu neon producea diferite culori de lumină. El a experimentat, de asemenea, cu variații în formele tuburilor de sticlă pentru a crea litere și imagini. Până în anii 1920, lumina de neon a intrat în vogă și este populară și astăzi. Lămpile de neon moderne sunt de obicei fabricate din plastic mai degrabă decât din sticlă, iar gama de culori este mult mai mare decât pe vremea lui Claude: nu numai umplutura de gaz, ci și stratul de acoperire din interiorul tubului sunt variate, rezultând o varietate de culori din întregul spectru.

Deși semnul cu neon este cea mai cunoscută aplicație a sa, neonul este folosit pentru multe alte lucruri. Lămpile incandescente cu neon sunt adesea folosite pentru a indica setările de pornire/oprire pe panourile de instrumente electronice, iar lămpile de neon ușoare se găsesc pe mașini care variază de la calculatoare la regulatoare de tensiune. De fapt, primul televizor color practic, produs în 1928, a folosit un tub de neon pentru a produce culoarea roșie în receptor. Verdele provenea de la mercur, dar lumina albastră din acel prim televizor color provenea de la un alt gaz nobil, heliu.

HELIU.

Heliul, bineînțeles, este cunoscut pe scară largă pentru utilizarea sa în baloane – atât pentru dirijabilele mari, cât și pentru baloanele care au oferit bucurie și distracție multor copii mici. Deși heliul este mult mai scump decât hidrogenul ca mijloc de asigurare a flotabilității dirijabilelor, hidrogenul este extrem de inflamabil, iar după infama explozie a dirijabilului Hindenburg în 1937, heliul a devenit mediul preferat pentru dirijabile. După cum s-a menționat anterior, armata Statelor Unite a folosit pe scară largă dirijabilele umplute cu heliu în timpul celui de-al Doilea Război Mondial.

Utilizarea heliului pentru flotabilitate este una dintre cele mai proeminente aplicații ale acestui gaz nobil, dar departe de a fi singura. De fapt, nu numai că oamenii au folosit heliu pentru a urca în baloane, dar și scafandrii folosesc heliu pentru a coborî sub suprafața oceanului. În această situație, bineînțeles, heliul nu este folosit pentru a asigura flotabilitatea, ci ca mijloc de protecție împotriva afecțiunii legate de scufundări, cunoscută sub numele de „the bends”, care apare atunci când azotul din sânge face bule în timp ce scafandrul urcă la suprafață. Heliul este amestecat cu oxigen în rezervoarele de aer ale scafandrilor, deoarece nu se dizolvă în sânge la fel de ușor ca azotul.

Printre cele mai fascinante aplicații ale heliului se referă la punctul său de îngheț extraordinar de scăzut. Heliul a jucat un rol semnificativ în știința temperaturilor joase cunoscută sub numele de criogenie și și-a găsit aplicații în cercetarea privind supraconductivitatea: utilizarea temperaturilor foarte scăzute pentru a dezvolta materiale care conduc energia electrică cu o eficiență mult mai mare decât cea a conductorilor obișnuiți. Aproape de zero absolut, heliul se transformă într-un lichid extrem de neobișnuit, diferit de orice altă substanță cunoscută, în sensul că nu are nicio rezistență măsurabilă la curgere. Acest lucru înseamnă că ar putea conduce un curent electric de sute de ori mai eficient decât un fir de cupru.

DE UNDE SĂ AFLĂM MAI MULTE

„The Chemistry of the Rare Gases” (site web). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (13 mai 2001).

„Temă pentru acasă: Știință: Chimie: Gaze” Channelone.com (site Web). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (12 mai 2001).

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

Mebane, Robert C. și Thomas R. Rybolt. Air and Other Gases. Ilustrații de Anni Matsick. New York: Twenty-First Century Books, 1995.

„Noble Gases” Xrefer.com (Web site). <http://www.xrefer.com/entry/643259> (13 mai 2001).

Gaze rare. Praxair (site web). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (13 mai 2001).

Stwertka, Albert. Superconductori: The Irresistible Future (Viitorul irezistibil). New York: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Fapte despre radon și azbest. Ilustrată de Ian Moores. New York: F. Watts, 1990.

.