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– → XeO64- + 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.