18.12: Ocorrência, preparação e propriedades dos gases nobres
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- Descreva as propriedades, a preparação e os usos dos gases nobres
Os elementos do grupo 18 são os gases nobres (hélio, néon, argônio, criptônio, xenônio e radônio). Eles ganharam o nome de “nobres” porque foram considerados não reativos, pois preencheram as conchas de valência. Em 1962, o Dr. Neil Bartlett, da Universidade da Colúmbia Britânica, provou que essa suposição era falsa.
Esses elementos estão presentes na atmosfera em pequenas quantidades. Alguns gases naturais contêm 1 a 2% de hélio em massa. O hélio é isolado do gás natural liquefazendo os componentes condensáveis, deixando apenas o hélio como gás. Os Estados Unidos possuem a maior parte do suprimento comercial mundial desse elemento em seus campos de gás contendo hélio. Argônio, néon, criptônio e xenônio vêm da destilação fracionada do ar líquido. O radônio vem de outros elementos radioativos. Mais recentemente, observou-se que esse gás radioativo está presente em quantidades muito pequenas em solos e minerais. Seu acúmulo em edifícios bem isolados e hermeticamente fechados, no entanto, constitui um risco à saúde, principalmente câncer de pulmão.
Os pontos de ebulição e de fusão dos gases nobres são extremamente baixos em relação aos de outras substâncias de massas atômicas ou moleculares comparáveis. Isso ocorre porque apenas forças fracas de dispersão de Londres estão presentes, e essas forças podem manter os átomos juntos somente quando o movimento molecular é muito pequeno, pois ocorre em temperaturas muito baixas. O hélio é a única substância conhecida que não se solidifica durante o resfriamento à pressão normal. Ele permanece líquido próximo do zero absoluto (0,001 K) em pressões normais, mas solidifica sob pressão elevada.
O hélio é usado para encher balões e embarcações mais leves que o ar porque não queima, tornando-o mais seguro de usar do que o hidrogênio. O hélio em altas pressões não é um narcótico como o nitrogênio. Assim, misturas de oxigênio e hélio são importantes para mergulhadores que trabalham sob altas pressões. Usar uma mistura de hélio e oxigênio evita o estado mental desorientado conhecido como narcose por nitrogênio, o chamado arrebatamento das profundezas. O hélio é importante como atmosfera inerte para a fusão e soldagem de metais facilmente oxidáveis e para muitos processos químicos sensíveis ao ar.
O hélio líquido (ponto de ebulição, 4,2 K) é um refrigerante importante para atingir as baixas temperaturas necessárias para a pesquisa criogênica e é essencial para atingir as baixas temperaturas necessárias para produzir supercondução em materiais supercondutores tradicionais usados em ímãs poderosos e outros dispositivos. Essa capacidade de resfriamento é necessária para os ímãs usados na ressonância magnética, um procedimento comum de diagnóstico médico. O outro refrigerante comum é o nitrogênio líquido (ponto de ebulição, 77 K), que é significativamente mais barato.
O néon é um componente de lâmpadas e sinais de néon. Passar uma faísca elétrica por um tubo contendo néon em baixa pressão gera o familiar brilho vermelho do néon. É possível mudar a cor da luz misturando vapor de argônio ou mercúrio com o néon ou utilizando tubos de vidro de uma cor especial.
O argônio era útil na fabricação de lâmpadas elétricas cheias de gás, onde sua menor condutividade térmica e inércia química o tornavam preferível ao nitrogênio para inibir a vaporização do filamento de tungstênio e prolongar a vida útil do bulbo. Os tubos fluorescentes geralmente contêm uma mistura de vapor de argônio e mercúrio. O argônio é o terceiro gás mais abundante no ar seco.
Os tubos de flash de criptônio-xenônio são usados para tirar fotografias em alta velocidade. Uma descarga elétrica através desse tubo fornece uma luz muito intensa que dura apenas\(\dfrac{1}{50,000}\) um segundo. O criptônio forma um difluoreto, KrF 2, que é termicamente instável à temperatura ambiente.
Compostos estáveis de xenônio se formam quando o xenônio reage com o flúor. O difluoreto de xenônio, XeF 2, se forma após o aquecimento de um excesso de gás xenônio com gás flúor e depois o resfriamento. O material forma cristais incolores, que são estáveis à temperatura ambiente em uma atmosfera seca. O tetrafluoreto de xenônio, XeF 4 (Figura\(\PageIndex{1}\)) e o hexafluoreto de xenônio, xEf 6, são preparados de forma análoga, com uma quantidade estequiométrica de flúor e um excesso de flúor, respectivamente. Os compostos com oxigênio são preparados substituindo os átomos de flúor nos fluoretos de xenônio por oxigênio.
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Quando o XeF 6 reage com a água, uma solução de XeO 3 resulta e o xenônio permanece no estado de oxidação 6+:
\[\ce{XeF6}(s)+\ce{3H2O}(l)⟶\ce{XeO3}(aq)+\ce{6HF}(aq) \nonumber \]
O trióxido de xenônio seco e sólido, XeO 3, é extremamente explosivo — ele detonará espontaneamente. Tanto o XeF 6 quanto o XeO 3 são desproporcionais na solução básica, produzindo xenônio, oxigênio e sais do íon perxenato\(\ce{XeO6^4-}\), no qual o xenônio atinge seu estado máximo de oxidação de 8+.
Aparentemente, o radônio forma RnF 2 - a evidência desse composto vem de técnicas de traçador radioquímico.
Compostos instáveis de argônio se formam em baixas temperaturas, mas compostos estáveis de hélio e néon não são conhecidos.
Resumo
A propriedade mais significativa dos gases nobres (grupo 18) é sua inatividade. Eles ocorrem em baixas concentrações na atmosfera. Eles encontram usos como atmosferas inertes, sinais de néon e refrigerantes. Os três gases nobres mais pesados reagem com o flúor para formar fluoretos. Os fluoretos de xenônio são os mais bem caracterizados como materiais de partida para alguns outros compostos de gases nobres.
Glossário
- halogeneto
- composto contendo um ânion de um elemento do grupo 17 no estado de oxidação 1− (flúor, F −; cloreto, Cl −; brometo, Br −; e iodeto, I −)
- interhalogênio
- composto formado por dois ou mais halogênios diferentes