aristocracia elemental

Cada fila de la tabla periódica termina al final. Hace poco más de cien años ni siquiera se suponía su existencia. Luego asombraron al mundo con sus propiedades químicas, o más bien su ausencia. Incluso más tarde resultaron ser una consecuencia lógica de las leyes de la naturaleza. Gases nobles.

Con el tiempo, "entraron en acción", y en la segunda mitad del siglo pasado comenzaron a asociarse con elementos menos nobles. Comencemos la historia de la alta sociedad elemental así:

Hace mucho tiempo…

… Había un señor.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) en un boceto antiguo.

henry cavendish pertenecía a la más alta aristocracia británica, pero estaba interesado en aprender los secretos de la naturaleza. En 1766 descubrió el hidrógeno y diecinueve años después realizó un experimento en el que pudo encontrar otro elemento. Quería averiguar si el aire contiene otros componentes además de los ya conocidos oxígeno y nitrógeno. Llenó con aire un tubo de vidrio doblado, sumergió sus extremos en recipientes de mercurio y pasó descargas eléctricas entre ellos. Las chispas hicieron que el nitrógeno se combinara con el oxígeno y los compuestos ácidos resultantes fueran absorbidos por la solución alcalina. En ausencia de oxígeno, Cavendish lo introdujo en el tubo y continuó el experimento hasta que se eliminó todo el nitrógeno. El experimento duró varias semanas, durante las cuales el volumen de gas en la tubería fue disminuyendo constantemente. Una vez que se agotó el nitrógeno, Cavendish eliminó el oxígeno y descubrió que la burbuja aún existía, y estimó que era ¹/₁₂₀ volumen de aire inicial. El Señor no preguntó sobre la naturaleza de los residuos, considerando el efecto como un error de la experiencia. Hoy sabemos que estuvo muy cerca de abrir argón, pero tomó más de un siglo completar el experimento.

misterio solar

Los eclipses solares siempre han atraído la atención tanto de la gente común como de los científicos. El 18 de agosto de 1868, los astrónomos que observaron este fenómeno utilizaron por primera vez un espectroscopio (diseñado hace menos de diez años) para estudiar las prominencias solares, claramente visibles con un disco oscurecido. francés pierre janssen de esta forma probó que la corona solar se compone principalmente de hidrógeno y otros elementos de la tierra. Pero al día siguiente, mientras observaba de nuevo el Sol, notó una línea espectral no descrita anteriormente ubicada cerca de la característica línea amarilla del sodio. Janssen no pudo atribuirlo a ningún elemento conocido en ese momento. La misma observación fue hecha por un astrónomo inglés casillero normando. Los científicos han presentado varias hipótesis sobre el componente misterioso de nuestra estrella. Lockyer lo nombró láser de alta energía, en nombre del dios griego del sol - Helios. Sin embargo, la mayoría de los científicos creían que la línea amarilla que veían formaba parte del espectro del hidrógeno a las temperaturas extremadamente altas de la estrella. En 1881, un físico y meteorólogo italiano luigi palmieri estudió los gases volcánicos del Vesubio utilizando un espectroscopio. En su espectro, encontró una banda amarilla atribuida al helio. Sin embargo, Palmieri describió vagamente los resultados de sus experimentos y otros científicos no los confirmaron. Ahora sabemos que el helio se encuentra en los gases volcánicos, y es posible que Italia haya sido el primero en observar el espectro del helio terrestre.

Ilustración de 1901 que muestra el aparato para el experimento de Cavendish

Apertura en el tercer decimal

A principios de la última década del siglo XIX, el físico inglés Señor Rayleigh (John William Strutt) decidió determinar con precisión las densidades de varios gases, lo que también hizo posible determinar con precisión las masas atómicas de sus elementos. Rayleigh era un experimentador diligente, por lo que obtuvo gases de una amplia variedad de fuentes para detectar impurezas que falsearan los resultados. Logró reducir el error de determinación a centésimas de por ciento, que en ese momento era muy pequeño. Los gases analizados mostraron conformidad con la densidad determinada dentro del error de medida. Esto no sorprendió a nadie, ya que la composición de los compuestos químicos no depende de su origen. La excepción fue el nitrógeno, solo que tenía una densidad diferente según el método de producción. Nitrógeno atmosférico (obtenido del aire después de la separación de oxígeno, vapor de agua y dióxido de carbono) siempre ha sido más pesado que químico (obtenido por descomposición de sus compuestos). La diferencia, por extraño que parezca, fue constante y ascendió a alrededor del 0,1%. Rayleigh, incapaz de explicar este fenómeno, recurrió a otros científicos.

Ayuda ofrecida por un químico Guillermo Ramsey. Ambos científicos concluyeron que la única explicación era la presencia de una mezcla de un gas más pesado en el nitrógeno obtenido del aire. Cuando se encontraron con la descripción del experimento de Cavendish, sintieron que estaban en el camino correcto. Repitieron el experimento, esta vez utilizando equipos modernos, y pronto tuvieron en su poder una muestra de un gas desconocido. El análisis espectroscópico ha demostrado que existe por separado de las sustancias conocidas, y otros estudios han demostrado que existe como átomos separados. Hasta ahora, tales gases no se han conocido (tenemos O₂, N₂, H₂), por lo que eso también significaba abrir un nuevo elemento. Rayleigh y Ramsay trataron de hacerle argón (Griego = perezoso) para reaccionar con otras sustancias, pero fue en vano. Para determinar la temperatura de su condensación, recurrieron a la única persona en el mundo en ese momento que tenía el aparato adecuado. Fue karol olszewski, profesor de química en la Universidad Jagellónica. Olshevsky licuó y solidificó el argón y también determinó sus otros parámetros físicos.

El informe de Rayleigh y Ramsay de agosto de 1894 causó una gran resonancia. Los científicos no podían creer que generaciones de investigadores hubieran descuidado el componente del 1% del aire, que está presente en la Tierra en una cantidad mucho mayor que, por ejemplo, la plata. Las pruebas realizadas por otros han confirmado la existencia de argón. El descubrimiento se consideró legítimamente un gran logro y un triunfo de un cuidadoso experimento (se decía que el nuevo elemento estaba oculto en el tercer decimal). Sin embargo, nadie esperaba que hubiera...

… Toda una familia de gases.

Grupo helio (número atómico en la parte superior, masa atómica en la parte inferior).

Incluso antes de que se analizara a fondo la atmósfera, un año después, Ramsay se interesó en un artículo de una revista de geología que informaba sobre la liberación de gas de los minerales de uranio cuando se exponen al ácido. Ramsay lo intentó de nuevo, examinó el gas resultante con un espectroscopio y vio líneas espectrales desconocidas. Consulta con Guillermo Crookes, especialista en espectroscopia, llegó a la conclusión de que se ha buscado durante mucho tiempo en la Tierra láser de alta energía. Ahora sabemos que este es uno de los productos de descomposición del uranio y el torio, contenidos en los minerales de los elementos radiactivos naturales. Ramsay volvió a pedirle a Olszewski que licuara el nuevo gas. Sin embargo, esta vez el equipo no fue capaz de alcanzar temperaturas lo suficientemente bajas, y el helio líquido no se obtuvo hasta 1908.

El helio también resultó ser un gas monoatómico e inactivo, como el argón. Las propiedades de ambos elementos no encajaban en ninguna familia de la tabla periódica y se decidió crear un grupo separado para ellos. [helowce_uklad] Ramsay llegó a la conclusión de que hay lagunas en él, y junto con su colega Morrisem Traversem inició más investigaciones. Al destilar aire líquido, los químicos descubrieron tres gases más en 1898: neón (gr. = nuevo), criptón (gr. = skryty)i xenón (Griego = extranjero). Todos ellos, junto con el helio, están presentes en el aire en cantidades mínimas, mucho menos que el argón. La pasividad química de los nuevos elementos llevó a los investigadores a darles un nombre común. Gases nobles. 

Tras intentos fallidos de separarse del aire, se descubrió otro helio producto de transformaciones radiactivas. En 1900 frederick dorn Oraz André-Louis Debirn notaron la liberación de gas (emanación, como dijeron entonces) del radio, al que llamaron radón. Pronto se notó que las emanaciones también emiten torio y actinio (torón y actinón). Ramsay y frederick soddy demostraron que son un elemento y son el próximo gas noble que nombraron nitón (Latín = brillar porque las muestras de gas brillaban en la oscuridad). En 1923, el nitón finalmente se convirtió en radón, llamado así por el isótopo de vida más larga.

La última de las instalaciones de helio que cierran la tabla periódica real se obtuvo en 2006 en el laboratorio nuclear ruso de Dubna. El nombre, aprobado sólo diez años después, Oganesson, en honor al físico nuclear ruso Yuri Oganesyán. Lo único que se sabe del nuevo elemento es que es el más pesado conocido hasta el momento y que solo se han obtenido unos pocos núcleos que han vivido menos de un milisegundo.

Malas alianzas químicas

La creencia en la pasividad química del helio colapsó en 1962 cuando Neil Bartlett obtuvo un compuesto de fórmula Xe [PtF₆]. La química de los compuestos de xenón en la actualidad es bastante extensa: se conocen fluoruros, óxidos e incluso sales ácidas de este elemento. Además, son compuestos permanentes en condiciones normales. El criptón es más ligero que el xenón, forma varios fluoruros, al igual que el radón, que es más pesado (la radiactividad de este último hace que la investigación sea mucho más difícil). En cambio, los tres más ligeros -helio, neón y argón- no tienen compuestos permanentes.

Los compuestos químicos de los gases nobles con socios menos nobles pueden compararse con viejas alianzas defectuosas. Hoy en día, este concepto ya no es válido, y uno no debe sorprenderse de que...

Helicópteros, de izquierda a derecha: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) y Morris Travers (1872–1961); retrato de la colección del University College London.

… el trabajo de los aristócratas.

El helio se obtiene separando el aire licuado en plantas de nitrógeno y oxígeno. Por otro lado, la fuente de helio es principalmente gas natural, en el que representa hasta un pequeño porcentaje del volumen (en Europa, la mayor planta de producción de helio opera en superado, en el Voivodato de Gran Polonia). Su primera ocupación fue brillar en tubos luminosos. Hoy en día, la publicidad de neón sigue siendo agradable a la vista, pero los materiales de helio también son la base de algunos tipos de láseres, como el láser de argón que encontraremos en el dentista o en la esteticista.

Representación artística de la sonda de iones de xenón Dawn cerca del asteroide Ceres.

La pasividad química de las instalaciones de helio se aprovecha para crear una atmósfera que protege frente a la oxidación, por ejemplo, al soldar metales o en el envasado hermético de alimentos. Las lámparas llenas de helio funcionan a una temperatura más alta (es decir, brillan más) y usan la electricidad de manera más eficiente. Por lo general, el argón se usa mezclado con nitrógeno, pero el criptón y el xenón dan incluso mejores resultados. El uso más reciente del xenón es como material de propulsión en la propulsión de cohetes iónicos, que es más eficiente que la propulsión con propulsores químicos. El helio más ligero se llena de globos meteorológicos y globos para niños. En una mezcla con oxígeno, los buzos utilizan el helio para trabajar a grandes profundidades, lo que ayuda a evitar la enfermedad por descompresión. La aplicación más importante del helio es lograr las bajas temperaturas requeridas para que funcionen los superconductores.

La mezcla de oxígeno y helio garantiza un buceo seguro.