Elementi della tavola periodica. I gas nobili 1° parte

Rinaldo Cervellati

I gas nobili (storicamente noti come gas inerti) formano un gruppo di elementi chimici con proprietà simili; in condizioni standard, sono tutti gas monoatomici inodori, incolori con reattività chimica molto bassa. Nella tavola periodica IUPAC sono collocati al 18° gruppo, con ciascuno di loro termina un periodo e ne inizia uno nuovo. I sei gas nobili presenti in natura sono elio (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xeno (Xe) e il radioattivo radon (Rn), del quale il blog si è già occupato[1]. Esiste anche un settimo componente del gruppo, radioattivo, ottenuto artificialmente, chiamato oganesso (Og)[2], la sua chimica non è ancora stata studiata.

I gas nobili sono in genere pochissimo reattivi, tranne quando si trovano in condizioni estreme di pressione e temperatura. La loro inerzia li rende molto adatti per applicazioni in cui non si desiderano reazioni.

Le proprietà dei gas nobili possono essere spiegate dalle moderne teorie della struttura atomica: il loro guscio esterno di elettroni di valenza è considerato “pieno”, dando loro poca tendenza a partecipare alle reazioni chimiche, ed è stato possibile preparare solo relativamente pochi composti di gas nobili. I loro punti di fusione e di ebollizione sono vicini tra loro, differendo di meno di 10 °C, quindi diventano liquidi solo in un piccolo intervallo di temperature.

Neon, argon, kripton e xeno sono ottenuti dall’aria liquida separandoli per distillazione frazionata. L’elio proviene da giacimenti di gas naturale che lo contengono in alta concentrazione. Utilizzando tecniche di separazione del gas criogenico, il radon viene solitamente isolato dal decadimento radioattivo di composti di radio, torio o uranio.

I gas nobili hanno diverse importanti applicazioni in settori come l’illuminazione, la saldatura e l’esplorazione dello spazio. L’argon è utilizzato nelle lampade a incandescenza per impedire l’ossidazione del filamento di tungsteno caldo. Una miscela gassosa ossigeno-elio è utilizzata dai subacquei a profondità di acqua marina superiori a 55 m, per prevenire la tossicità da ossigeno, azoto e anidride carbonica (ipercapnia). Dopo i disastri causati dall’infiammabilità dell’idrogeno (ad es. l’esplosione dello Zeppelin LZ 129 Hindenburg), l’elio è stato sostituito all’idrogeno nei dirigibili, palloni areostati e palloncini.

Il dirigibile Zeppelin LZ 129 e la sua tragedia

Il termine gas nobile deriva dal tedesco Edelgas, usato per la prima volta nel 1898 da Hugo Erdmann per indicare il loro livello estremamente basso di reattività. La denominazione ha analogia con il termine “metalli nobili”, che hanno pure una bassa reattività, sebbene meno marcata. I gas nobili sono stati anche chiamati gas inerti, termine oggi in disuso perché alcuni composti sono ora noti. I gas rari sono un altro termine usato, ma anche questo è improprio perché l’argon costituisce una parte abbastanza considerevole (0,94% in volume, 1,3% in massa) dell’atmosfera terrestre a causa del decadimento dell’isotopo radioattivo potassio-40.

L’elio è stato rilevato per la prima volta nel Sole grazie alle sue caratteristiche linee spettrali.

Spettro dell’elio

Pierre Janssen e Joseph Norman Lockyer[3] scoprirono il nuovo elemento nel 1868 mentre guardavano la cromosfera del Sole e lo chiamarono elio dalla parola greca per il Sole, ἥλιος (hḗlios). All’epoca non era possibile effettuare alcuna analisi chimica, ma in seguito fu scoperto che l’elio era un gas nobile. Prima di loro, nel 1784, il chimico e fisico inglese Henry Cavendish[4] aveva scoperto che l’aria contiene una piccola parte di una sostanza meno reattiva dell’azoto. Un secolo dopo, nel 1895, Lord Rayleigh[5] scoprì che i campioni di azoto presenti nell’aria avevano una densità diversa rispetto all’azoto derivante da reazioni chimiche. Insieme allo scienziato scozzese William Ramsay, Lord Rayleigh teorizzò che l’azoto estratto dall’aria fosse miscelato con un altro gas, portando a un esperimento che isolò con successo un nuovo elemento, l’argon, dalla parola greca ἀργός (argós, “inattivo “o” pigro “). Con questa scoperta, si resero conto che un’intera classe di gas mancava dalla tavola periodica. Durante la sua ricerca dell’argon, Ramsay riuscì anche a isolare l’elio per la prima volta per riscaldamento del minerale cleveite. Nel 1902, dopo aver accettato le prove per gli elementi elio e argon, Dmitri Mendeleev incluse questi gas nobili come gruppo 0 nella sua classificazione degli elementi, che sarebbe poi diventata la tavola periodica.

Ramsay continuò la ricerca di questi gas usando il metodo della distillazione frazionata per separare l’aria liquida in diversi componenti. Nel 1898 scoprì gli elementi kripton, neon e xeno e li chiamò rispettivamente con le parole greche κρυπτός (kryptós, “nascosto”), νέος (néos, “nuovo”) e ξένος (Xénos, “straniero”), rispettivamente. Il radon fu identificato per la prima volta nel 1898 da Friedrich Ernst Dorn[6], e fu chiamato emanazione di radio, ma non fu considerato un gas nobile fino al 1904 quando le sue caratteristiche furono trovate simili a quelle di altri gas nobili.

Rayleigh e Ramsay ricevettero il Premio Nobel rispettivamente per la fisica e per la chimica nel 1904. J.E. Cederblom, allora presidente dell’Accademia Svedese delle Scienze, disse: “la scoperta di un gruppo completamente nuovo di elementi, di cui nessun singolo rappresentante era stato conosciuto con certezza, è qualcosa di assolutamente unico nella storia della chimica, essendo intrinsecamente un progresso nella scienza di significato peculiare “.

La scoperta dei gas nobili ha infatti contribuito alla comprensione della struttura atomica.

Nel 1895 il chimico francese Henri Moissan[7] tentò di ottenere una reazione tra il fluoro, l’elemento più elettronegativo, e l’argon, uno dei gas nobili, ma fallì. Gli scienziati non furono in grado di preparare composti di argon fino alla fine del 20° secolo, ma questi tentativi aiutarono a sviluppare nuove teorie sulla struttura atomica. In base a questi esperimenti, il fisico danese Niels Bohr propose nel 1913 che gli elettroni negli atomi orbitassero in gusci che circondano il nucleo e che per tutti i gas nobili tranne l’elio il guscio più esterno contiene sempre otto elettroni. Nel 1916 Gilbert N. Lewis formulò la regola dell’ottetto, in cui concludeva che un ottetto di elettroni nel guscio esterno era la disposizione più stabile per qualsiasi atomo; questa disposizione avrebbe reso i gas nobili non reattivi con altri elementi poiché non richiedevano più elettroni per completare l’ottetto esterno [1].

Nel 1962 Neil Bartlett[8] scoprì il primo composto chimico di un gas nobile, l’esafluoroplatinato di xeno. Composti di altri gas nobili furono scoperti poco dopo: nel 1962 per il radon, il difluoruro di radon (RnF₂) e nel 1963 per il kripton, il difluoruro di kripton (KrF₂), tutti poco stabili. Il primo composto stabile di argon è stato riportato nel 2000 quando fu sintetizzato il fluoroidruro di argon (HArF) a una temperatura di 40 K (-233,2 °C).

Più recentemente, nel 2017, è stato ottenuto un composto fra elio e sodio, l’eliuro di sodio, di cui abbiamo già parlato su questo blog[9].

Proprietà fisiche

I gas nobili hanno una debole forza interatomica e di conseguenza hanno punti di fusione e di ebollizione molto bassi. Sono tutti gas monoatomici in condizioni standard, inclusi quelli con masse atomiche più grandi rispetto a molti elementi normalmente solidi. L’elio ha diverse qualità uniche rispetto ad altri elementi: il suo punto di ebollizione a 1 atm è inferiore a quello di qualsiasi altra sostanza nota ed è il solo elemento noto a mostrare superfluidità[10]. È l’unico elemento che non può essere solidificato mediante raffreddamento in condizioni standard: per convertirlo in solido è necessaria una pressione di 25 atmosfere (2.500 kPa) a una temperatura di 0,95 K (-272,20 °C).

I punti di fusione e di ebollizione aumentano scendendo nel gruppo.

I gas nobili fino allo xeno hanno più isotopi stabili. Il radon non ha isotopi stabili; il suo isotopo di più lunga vita, ²²²Rn, ha un’emivita di 3,8 giorni e decade per formare elio e polonio, che alla fine decade dando piombo.

Gli atomi dei gas nobili, come gli atomi nella maggior parte dei gruppi, aumentano costantemente il raggio atomico da un periodo all’altro a causa del numero crescente di elettroni. La dimensione dell’atomo è correlata a diverse proprietà. Ad esempio, il potenziale di ionizzazione diminuisce al crescere del raggio atomico poiché l’ottetto esterno nei gas nobili più grandi è più lontano dal nucleo e non è quindi strettamente trattenuto da esso. I gas nobili hanno il potenziale di ionizzazione più alto tra gli elementi di ciascun periodo, il che riflette la stabilità della loro configurazione elettronica. Alcuni dei gas nobili più pesanti, tuttavia, hanno potenziali di ionizzazione abbastanza piccoli da essere paragonabili a quelli di altri elementi e molecole.

Energie di ionizzazione dei gas nobili

È stata l’osservazione che lo xeno ha un potenziale di ionizzazione simile a quello della molecola di ossigeno che ha portato Bartlett a tentare di ossidare lo xeno usando esafluoruro di platino, un agente ossidante noto per essere abbastanza forte da reagire con l’ossigeno.

Le proprietà fisiche macroscopiche dei gas nobili sono dovute dalle deboli forze di van der Waals tra gli atomi. La forza attrattiva aumenta con la dimensione dell’atomo a causa dell’aumento della polarizzabilità e della diminuzione del potenziale di ionizzazione. A ciò sono dovute le tendenze sistematiche di gruppo: man mano che si scende nel gruppo 18, il raggio atomico e con esso le forze interatomiche aumentano, con conseguente aumento di punto di fusione, punto di ebollizione, entalpia di vaporizzazione e solubilità. L’aumento della densità è dovuto all’aumento della massa atomica.

I gas nobili sono gas a comportamento pressoché ideale in condizioni standard, ma le loro deviazioni dalla legge sui gas ideali hanno fornito importanti indizi per lo studio delle interazioni intermolecolari. Il potenziale di Lennard-Jones, spesso usato per modellare le interazioni intermolecolari, fu dedotto nel 1924 da John Lennard-Jones[11] dai dati sperimentali sull’argon prima che lo sviluppo della meccanica quantistica fornisse gli strumenti per comprendere le forze intermolecolari da principi primi. L’analisi teorica di queste interazioni è diventata trattabile perché i gas nobili sono monoatomici e gli atomi sferici, il che significa che l’interazione tra gli atomi è indipendente dalla direzione del moto.

(continua)

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85^th, 4-voci Noble gas

https://en.wikipedia.org/wiki/Noble_gas

Bibliografia

[1] R. Cervellati, G.N. Lewis e i Fondamenti della Chimica nella prima metà del XX secolo., Atti del XVII Convegno Nazionale di Storia e Fondamenti della Chimica, in Rendiconti Accademia Nazionale delle Scienze detta dei XL, Memorie di Scienze Fisiche e Naturali, 2017, Vol. XLI, P. II, T.II, pp. 75-84.

1. anche

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2016/05/20/gilbert-newton-lewis-1875-1946-un-premio-nobel-mancato-parte-2/

[1] https://ilblogdellasci.wordpress.com/2019/05/03/elementi-della-tavola-periodica-radon-rn/

[2] L’Oganesso è l’elemento con il più alto numero atomico (118) e massa atomica (294). È stato sintetizzato per la prima volta nel 2002 nel Joint Institute for Nuclear Research (JINR) a Dubna (Mosca), da un team di scienziati russi e americani. Nel dicembre 2015, è stato riconosciuto come uno dei quattro nuovi elementi dal gruppo di lavoro congiunto degli organismi scientifici internazionali IUPAC e IUPAP. Il nome formalmente assegnatogli è in onore del fisico nucleare Yuri Oganessian, che ha svolto un ruolo di primo piano nella scoperta degli elementi più pesanti nella tavola periodica.

[3] Sir Joseph Norman Lockyer (1836-1920) è stato uno scienziato e astronomo inglese. Insieme allo scienziato francese Pierre Janssen (1824-1907), sono accreditati per la scoperta del gas elio. Lockyer è anche ricordato per essere stato il fondatore e il primo editore della prestigiosa rivista Nature.

[4] Henry Cavendish (1731 – 1810) è stato filosofo, scienziato naturale inglese e un importante chimico e fisico sperimentale e teorico. Noto anche per la sua scoperta dell’idrogeno, che definì “aria infiammabile”.

[5] John William Strutt, 3° barone Rayleigh, (1842-1919), scienziato britannico, diede ampi contributi alla fisica sia teorica sia sperimentale. Trascorse tutta la sua carriera accademica all’Università di Cambridge. Tra le tante onorificenze, ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1904 “per le sue indagini sulle densità dei gas più importanti e per la sua scoperta dell’argon in relazione a questi studi”. Sir William Ramsay (1852-1916) chimico scozzese che studiò i gas nobili e scoprì l’argon insieme a Lord Rayleigh, ottenne il premio Nobel per chimica nel 1904.

[6] Friedrich Ernst Dorn (1848 – 1916), fisico tedesco, fu il primo a scoprire che una sostanza radioattiva, in seguito chiamata radon, è emessa dal radio.

[7] Ferdinand Frédéric Henri Moissan (1852-1907), chimico francese, ottenne il premio Nobel per la chimica nel 1906 per aver isolato il fluoro dai suoi composti.

[8] Neil Bartlett (1932 – 2008), chimico inglese specializzato nel fluoro e suoi composti contenenti fluoro e divenne famoso per aver ottenuto i primi composti di gas nobili. Ha insegnato chimica all’Università della British Columbia e all’Università della California a Berkeley.

[9] https://ilblogdellasci.wordpress.com/2019/07/08/un-composto-stabile-dellelio-leliuro-di-sodio/

[10] La superfluidità è la proprietà caratteristica di un fluido con viscosità zero che pertanto scorre senza perdita di energia cinetica.

[11] Sir John Edward Lennard-Jones (1894 – 1954), matematico britannico, è stato professore di fisica teorica all’Università di Bristol, e poi di scienze teoriche all’Università di Cambridge. Può essere considerato come il padre della moderna chimica computazionale.