I gas nobili: proprietà e composti

I gas nobili, detti anche gas rari o gas inerti, sono caratterizzati da una struttura elettronica chiusa, duetto per l’elio, ottetto per gli altri.

Tali configurazioni sono particolarmente stabili e spiegano la loro nulla o scarsa reattività. I punti di fusione, di ebollizione e i calori di evaporazione crescono regolarmente al crescere del peso atomico perché le uniche interazioni esistenti sono quelle di van der Waals che crescono regolarmente al crescere degli atomi e della loro polarizzabilità.

I gas nobili sono costituenti secondari dell’atmosfera e si possono ottenere per distillazione frazionata dell’aria liquida. Il più abbondante di essi, l’argo, deve la sua abbondanza al decadimento del ⁴⁰K per cattura di un elettrone.

L’elio, invece, è molto scarso perché non viene trattenuto dal campo gravitazionale. Esso, però è l’elemento più abbondante del cosmo dopo l’idrogeno.

E’ presente in quantità apprezzabili (fino al 70%) in alcuni gas naturali e rocce dove si è formato dal decadimento di elementi radioattivi emettitori di particelle α che, ossidando i materiali circostanti, si trasformano nel gas. L’elio è essenzialmente formato dall’isotopo ⁴He. L’argo si trova in minerali che contengono potassio, dove si è formato dall’isotopo ⁴⁰K. Il radon è un elemento radioattivo a vita breve e i suoi isotopi si formano continuamente per decadimento nelle famiglie radioattive naturali dell’ ²³⁸U , ²³⁵U e ²³²Th.

L’isotopo a vita più lunga è ²²²Rn che con emissione α e tempo di dimezzamento di 3.8 giorni dà ²¹⁸Po.

Composti

In precedenza l’unico tipo di composti dei gas nobili conosciuti erano i clatrati, sostanze in cui gli atomi di tali gas non sono legati, ma semplicemente intrappolati nelle cavità di una struttura ospitante. Per esempio la pirocatechina (1,2 diidrossibenzene) è in grado di cristallizzare in una struttura che contiene gabbie vuote del diametro di circa 4 Å

In queste gabbie vuote possono trovar posto le molecole di gas che non possono più sfuggire se non per distruzione del reticolo. Per elementi più pesanti è prevedibile la possibilità di formare veri composti sulla base delle energie di ionizzazione e delle energie di promozione di un elettrone dal livello np a quello (n+1)s. Nel 1962 Barlett, considerando che l’ossigeno reagisce con esafluoruro di platino dando il composto ionico O₂+[PtF₆]^– e constatando che lo xeno ha un potenziale di ionizzazione vicino a quello dell’ossigeno molecolare (12.2 eV) fece reagire lo xeno con esafluoruro di platino a temperatura ambiente e ottenne un solido rosso che si è rivelato essere Xe[PtF₆]x con x compreso tra 1 e 2.

Anche altri fluoruri termodinamicamente instabili come RnF₆ , RhF₆, PuF₆, reagiscono in modo analogo.

Sono ora noti composti dello xeno in stati di ossidazione compresi tra II e VI. Si tratta essenzialmente di composti con il fluoro e l’ossigeno.

Sono noti i seguenti fluoruri XeF₂, XeF₄ e XeF₆. Il difluoruro si ottiene per sintesi diretta dagli elementi in condizioni controllate per impedire che la reazione proceda verso il tetrafluoruro. XeF₂ è un solido cristallino bianco che fonde a 140°C e ha struttura molecolare lineare. Si idrolizza in acqua secondo la reazione:

2 XeF₂ + 2 H₂O → 2 Xe + O₂ + 4 HF

Il tetrafluoruro si ottiene facilmente e quantitativamente scaldando a 400°C xeno e fluoro in rapporto molare 1:5 in un recipiente di nichel. E’ un solido bianco che fonde a 114°C e ha una struttura molecolare quadrata. Si idrolizza in acqua secondo la reazione:

6 XeF₄ + 12 H₂O → 2 XeO₃ +4 Xe +3 O₂ + 24 HF

L’esafluoruro di xeno richiede condizioni più drastiche per formarsi dagli elementi e il rapporto molare dei reagenti è di 1:20. E’ un solido bianco che fonde a 47.7°C in un liquido giallo. La sua struttura è ottaedrica distorta in fase gassosa mentre allo stato solido è costituita da ioni XeF₅⁺ e F^– .

Anche l’esafluoruro reagisce con l’acqua secondo la reazione

XeF₆ + 3 H₂O → XeO₃ + 6 HF

Il triossido precipita dalle soluzioni come solido incoloro ed esplosivo mentre le sue soluzioni sono stabili. In soluzioni alcaline il triossido dà lo ione HXeO₂^– che si disproporziona lentamente:

2 HXeO₂– + 2 OH^– → XeO₆^4- + Xe + O₂ + 2 H₂O

E’ noto anche l’ossofluoruro, XeOF₄ che si prepara secondo la reazione:

XeF₆ + H₂O →  XeOF₄ + 2 HF

L’esafluoruro XeF₆ può ancora accettare ioni F^–; esso reagisce con i fluoruri alcalini dando ioni [XeF₇]^–. Evidenze di composti sono state ottenute anche per il cripto che però reagisce con molta più difficoltà dello xeno. Per esempio è noto il difluoruro KrF₂.