Los gases nobles



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Criptón y xenón


Las lámparas fluorescentes pueden contener mezclas de argón y criptón. El criptón puede ser empleado también en bombillas corrientes de luz. En realidad, el criptón es superior al argón para este propósito, porque cuanto más denso sea el gas, tanto mayor es el efecto enlentecedor sobre el grado de evaporación del filamento metálico.

Puesto que el criptón es producido del aire sólo en cantidades relativamente pequeñas y es unas nueve mil veces más caro que el argón, resulta improbable que el criptón sustituya al argón en gran escala. De todas maneras, el criptón puede ser empleado para lámparas especiales que durarán mucho más tiempo que las lámparas llenas de argón de potencial lumínico equivalente (o serán mucho más brillantes que las lámparas llenas de argón con un promedio de vida equivalente).

El criptón posee un provechoso isótopo radiactivo con un promedio de vida intermedio. Los isótopos radiactivos de larga vida, como el argón-39 (vida media, unos 260 años) y criptón-81 (vida media, unos 210.000 años), tienen una radiactividad débil para ser muy útiles. Los de corta vida, como el argón-41 (vida media, 1,83 horas) y el criptón-79 (vida media, 34,5 horas), desaparecen demasiado pronto para ser útiles.

No obstante, el criptón-85 elude uno y otro extremo. Tiene una vida media de 10,6 años y, en consecuencia, es suficientemente activo y de larga vida para resultar de utilidad.

Por ejemplo, puede ser empleado para comprobar escapes en recipientes sellados. Incluso si se filtran pequeñas cantidades de criptón-85 a través de las paredes del recipiente, pueden ser descubiertas gracias a las radiaciones que emite, con lo cual queda registrada la presencia del escape. El criptón-85 puede ser detectado en una concentración muchísimo menor de lo que pueden serlo los gases no radiactivos, por lo cual el criptón-85 es muchísimo más sensible para descubrir escapes. Como es inerte, el criptón-85 merece gran confianza de que no reaccionará químicamente con nada que contenga el recipiente, lo cual constituye una ventaja sobre la mayor parte de los isótopos radiactivos que pudieran servir para este propósito.

El criptón-85 puede ser empleado también en una lámpara fluorescente que continuará luciendo durante años sin necesidad de suministro eléctrico. La radiación del criptón-85 mantendrá la potencia incandescente del fluorescente.

El xenón, obtenido también de aire líquido (pero con más dificultades que el criptón, ya que el xenón es menos corriente), cuesta aproximadamente dos veces más que el criptón, pero puede ser usado también en luces especiales cuando el gasto queda justificado.

En general, los elementos absorben los rayos x con mayor eficacia a medida que se eleva su número atómico. Por consiguiente, el xenón, con un número atómico de 54, resulta muy eficaz como absorbente. Como es un gas, puede ser bombeado con facilidad dentro de diversas cavidades corporales; dado que es un gas noble, no reacciona con nada en el organismo y, en las cantidades adecuadas, no produce perjuicio alguno. Ningún otro elemento posee un átomo tan complejo, a la vez que continúa en estado a temperaturas ordinarias, de manera que ningún otro elemento puede al mismo tiempo presentar lo mismo que el xenón, la utilidad y los poderes absorbentes.

Entre los gases nobles, cuanto más elevado es el número atómico, tanto más soluble es el gas en agua y en otros fluidos. En general, las sustancias que se disuelven en líquidos corporales muestran a menudo efectos anestésicos. Esta característica la tienen los gases nobles, y dado que el xenón es el más pesado de los gases nobles, es el más soluble y, por tanto, el más eficaz de los anestésicos.

Una mezcla del 20% de oxígeno y del 80% de xenón conseguirá rápidamente una profunda anestesia. No existe peligro de explosión o de incendio, como cuando se emplea éter; no presenta secuelas desagradables; y el paciente despierta con prontitud una vez dejado de administrarse el gas. El único inconveniente en el terreno de su aplicación es su elevado precio.

El xenón, en lámparas de vapor, produce una luz azulada, mientras que el criptón emite una luz verdosa.

Incluso el raro radón ha tenido sus usos. Después que se descubriera el radio, su intensa radiactividad llegó a emplearse como un método para destruir células cancerosas. Pero dado que el radio podía también convertir células normales en neoplásicas, el empleo del radio ofrecía indudables peligros.

Pequeñas cantidades de radón (producidas por el radio) podían ser empleadas para evitar estos efectos nocivos de la radiactividad después de ser introducidas en diminutos tubos de cristal precintados. Las radiaciones del radón se extinguen mucho más pronto que las del radio, ya que el radón tiene una vida media mucho más corta (3,8 días en comparación de los 1.620 años del radio). Por tanto, las agujas de radón podían ser empleadas y, en cierto sentido, olvidadas.

No obstante, desde la Segunda Guerra Mundial, se ha obtenido una amplia variedad de isótopos radiactivos de los diversos elementos; estos isótopos han sustituido al radón en el tratamiento del cáncer.


7. HELIO

Ligereza


En el capítulo anterior, tan sólo el helio no recibió especial atención. No se debe a que carezca de importancia, sino, por el contrario, a causa de que es tan sumamente importante que merece un capítulo aparte.

Entre otras cosas, el helio es un elemento de grandes extremos. Está formado por el segundo más simple de todos los átomos y, en consecuencia, menos denso que cualquier otro elemento excepto el hidrógeno (que posee el más simple de todos los átomos).

La densidad de dos gases diferentes en condiciones ambientales similares está en proporción al peso de las partículas que los integran (siempre y cuando los gases no estén sometidos a una presión demasiado elevada o a una temperatura excesivamente baja). De este modo, el hidrógeno está integrado por moléculas con dos átomos de hidrógeno cada una, y, por tanto, tiene un peso molecular de 2. El helio está integrado por átomos simples con un peso atómico de 4. Puesto que 4 es el duplo de 2, la densidad del helio es dos veces la del hidrógeno. A cero grados de temperatura y a una presión atmosférica corriente, la densidad del hidrógeno es de 0,09 g por litro; la del helio es de 0,178 g por litro7.

Un modo de tratar estas densidades es convertirlo en términos cotidianos comprensivos. Imaginemos un salón de cinco metros y medio de largo, tres metros y medio de ancho y dos metros de alto. Si llenamos esta habitación con hidrógeno a cero grados de temperatura contendría casi cuatro kilogramos de este gas, pero contendría ocho kilogramos de helio, si se empleara este gas. Estos pesos pueden resultar excesivamente grandes si consideramos lo ligeros que nos parecen los gases, pero el local contiene cincuenta y seis kilogramos de aire atmosférico.

Si arbitrariamente establecemos la densidad del aire igual a 1, podemos clasificar las densidades de un cierto número de gases corrientes (incluidos todos los gases nobles) tal como aparecen en la tabla 24.

Como puede comprobarse, hay únicamente ocho gases corrientes (si incluimos el vapor de agua como un gas) que son más ligeros que el aire, y tan sólo tres gases comunes que son la mitad menos pesados que el aire.



Lo mismo que los objetos más ligeros que el agua pueden flotar en ésta, los gases más ligeros que el aire (si se ha evitado mezclarlos con aire) flotarán en el aire8.

Tabla 24. Densidades de los diversos gases

Gas

Densidad (aire = 1)

Hidrógeno (H2)

0,069

Helio (He)*

0,138

Neón (Ne)*

0,345

Metano (CH4)

0,54

Amoniaco (NH3)

0,59

Vapor de agua (H2O)

0,62

Monóxido de carbono (CO)

0,97

Nitrógeno (N2)

0,97

Aire (H2 + O2)

1,00

Oxígeno (O2)

1,10

Sulfuro de hidrógeno (H2S)

1,17

Cloruro de hidrógeno (HCl)

1,26

Argón (Ar)*

1,38

Bióxido de Carbono (CO2)

1,52

Cloro (Cl2)

2,45

Criptón (Kr)*

2,89

Xenón (Xe)*

4,53

Radón (Rn)*

7,65

Este detalle fue puesto en práctica por vez primera, en 1783, cuando dos franceses, los hermanos Joseph Michel Montgolfier (1740-1810) y Jacques Étienne Montgolfier (1745-1799), mantuvieron una bolsa ligera, con el lado abierto hacia abajo, sobre una llama, y dejaron que se llenase con aire caliente. Puesto que el aire caliente es menos denso que el aire frío, el aire caliente se elevó, arrastrando la bolsa. Éste fue el primer globo. El aire caliente es sólo levemente menos denso que el aire frío; tan pronto como el aire caliente se enfría, deja de ser menos denso. Se necesitaba algo mejor si se pretendía que los globos fuesen útiles. El hidrógeno había sido descrito por Cavendish sólo diecisiete años antes, y era el único gas por entonces conocido que se considerara definitivamente más ligero que el aire. El físico francés Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) sugirió que fuese empleado para llenar los globos. Este consejo fue seguido de inmediato, y subir en globo se convirtió en el capricho de moda en los años anteriores y posteriores a 1800.

Un siglo después, en 1900, el inventor alemán, conde Ferdinand von Zeppelin (1838-1917), instaló un motor en una barquilla colocada debajo de un globo con forma de cigarro y así logró construir el primer globo dirigible (que podía ser «dirigido»).

Durante el siglo xix y muy avanzado ya el xx, el hidrógeno fue el gas empleado para hinchar globos y dirigibles, incluso aunque representaba un enorme peligro a causa de su inflamabilidad y peligro de explosión. Los dirigibles alemanes que intentaron bombardear Londres durante la Primera Guerra Mundial resultaron completamente ineficaces debido a que ofrecían un blanco perfecto, al ser tan anchos y voluminosos, por lo que fácilmente podían ser abatidos.

No obstante, parecía no poder hallarse un sustituto. Los únicos otros gases más ligeros que el aire de alguna importancia, que estaban al alcance en el siglo xix, eran el metano y el amoníaco. Por supuesto, éstos eran más densos que el hidrógeno y tenían menos potencia ascensional. Además, el metano era casi tan inflamable como el hidrógeno, y el amoníaco, muy maloliente y tóxico.

El descubrimiento de los gases nobles ofreció una solución. En primer lugar, dos de ellos, el neón y el helio, eran más ligeros que cualquier otro gas excepto el propio hidrógeno. Su ligereza es más efectiva de lo que puede parecer considerando solamente sus números de densidad. La densidad del helio es dos veces mayor que la del hidrógeno, y la densidad del neón es cinco veces mayor que la del hidrógeno. Sin embargo, esto no significa que su potencia ascensional sea la mitad y la quinta parte, respectivamente, del hidrógeno.

Pasemos a considerar este punto. Si un volumen de gas desplaza una libra de aire, el aire ejerce una presión hacia arriba de una libra sobre el gas desplazado. Si consideramos un volumen de aire que pesa una libra, los mismos volúmenes de hidrógeno, helio y neón pesan 0,069, 0,138 y 0,345 libras, respectivamente (tal como es de esperar por las densidades relativas de esos gases).

Esto significa que 0,069 libras de hidrógeno desplazan una libra de aire, y el aire que impulsan hacia arriba con una presión de una libra elevará las 0,069 libras de hidrógeno más 0,931 libras de cualquier otro gas añadido, puesto que 1 – 0,069 = 0,931. Por el mismo razonamiento, el aire levantará 0,138 libras de helio más 0,862 libras añadidas; y levantará 0,345 libras de neón más las 0,655 añadidas.

En otras palabras, si un volumen determinado de hidrógeno levanta 0,931 libras, el mismo volumen de helio elevará 0,862 libras y este volumen de neón levantará 0,655 libras. El helio tiene 0,862/0,931, o sea, aproximadamente el 94% de la potencia ascensional del hidrógeno, a pesar de que el helio es dos veces más denso que el hidrógeno. De manera similar, el neón tiene el 70% de la potencia ascensional del hidrógeno, aunque sea cinco veces más denso que el hidrógeno.

El helio y el neón, particularmente el helio, son así posibles sustitutos del hidrógeno. La leve disminución en potencia ascensional que supone el empleo del helio carece por completo de importancia si se tiene en cuenta que el helio no se inflama en absoluto, no es explosivo, ni tóxico, inodoro, insípido, en suma, inofensivo en todos sus aspectos9.

Por añadidura, el helio, con sus átomos más pesados, escapa a través del tejido material de la bolsa que lo contiene en menor cantidad que lo hace el hidrógeno.

Puesto que la única fuente de neón es la atmósfera, resulta excesivamente caro para emplearlo en hinchar globos. El helio, que es el que se prefiere sobre todo, se produce en tan gran número de pozos naturales de gas que es lo suficientemente barato como para emplearlo para hinchar globos para los niños en las fiestas. Es posible producir helio incluso en las cantidades necesarias para hinchar globos gigantescos y dirigibles (Sin embargo, el helio-3, el raro isótopo del helio, cuesta alrededor de 100 dólares el litro).

Durante la Primera Guerra Mundial, los Estados Unidos estaban ya dedicando grandes esfuerzos para obtener el suficiente helio para emplearlo en globos; después de la Primera Guerra Mundial, el helio fue el gas utilizado por los Estados Unidos con este propósito, como también por aquellas naciones que podían adquirir helio en Estados Unidos.

En la década de los treinta, Alemania, que era la primera constructora mundial de dirigibles, no pudo comprar helio norteamericano, debido a que su régimen nacionalsocialista era odiado por una gran mayoría del pueblo norteamericano. Como resultado, los dirigibles alemanes continuaron siendo rellenados con hidrógeno. El mayor y más sofisticado de los dirigibles alemanes, el «Hindenburg», emprendió el vuelo hacia su punto de destino en Lakehurst, Nueva Jersey, a principios de mayo de 1937. El 6 de mayo, cuando intentaba aterrizar, sus algo más de un millón y medio de metros cúbicos de hidrógeno estallaron en llamas y quedó destruido, pereciendo en la catástrofe treinta y cinco personas. Esto representó el final de los globos y dirigibles hinchados con hidrógeno.

Por desgracia, los dirigibles que empleaban helio, construidos por Estados Unidos y otras naciones, quedaron fuera de uso también por las mismas fechas. No se incendiaban, pero su enorme y comparativamente débil estructura no podía soportar el embate de las tormentas.

No obstante, siguen teniendo diversas utilidades, incluso hoy día, los blimp, pequeños dirigibles (para anuncios publicitarios, por ejemplo) y los grandes globos que se envían a la atmósfera superior con fines científicos. Estos globos, hinchados con helio, se elevan a treinta kilómetros de distancia de la superficie terrestre y presentan una ventaja sobre los cohetes y es que pueden permanecer allí durante horas e incluso días.



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