Los gases nobles



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8. LA INERCIA DE LOS GASES NOBLES

Compuestos enjaulados


Desde el mismo momento del descubrimiento de los gases nobles, la propiedad de inercia —el fracaso en reaccionar con otras sustancias— fue inequívoca. La burbuja final de aire de Cavendish estaba allí porque el gas que la producía se negaba a combinarse con el oxígeno. Cuando Rayleigh y Ramsay aislaron finalmente y estudiaron el gas de Cavendish, lo llamaron argón («inerte») debido a que era su característica más destacada.

Sin embargo, «inerte» no significa necesariamente «completamente inerte». El nitrógeno es un gas inerte; por ejemplo, en el calor de un incendio forestal en el que una miríada de sustancias se están combinando con gran virulencia con el oxígeno, nada se combina con el nitrógeno de la atmósfera. Y, no obstante, el nitrógeno no es completamente inerte. La chispa del rayo aportará la energía necesaria para forzar la unión del nitrógeno con el oxígeno; el hombre puede duplicar este efecto a pequeña escala en el laboratorio. El nitrógeno incluso se combinaría con bastante facilidad con algunos metales como el magnesio y el calcio.

No cabía duda de que todos los gases nobles eran más inertes que el nitrógeno e incluso menos aptos para combinarse con otras sustancias. Pero aun los gases nobles, aunque con toda evidencia los más inertes de todos los elementos, ¿eran completamente inertes? Existía una prueba evidente de que no eran, en realidad, completamente inertes.

Si los gases nobles fuesen totalmente inertes, no existiría atracción alguna entre sus átomos, ni entre cualquier otro; ni siquiera entre un átomo de gas noble y otro similar. Si no hubiera atracción interatómica en absoluto, los gases nobles continuarían en estado gaseoso hasta el cero absoluto; ninguno de ellos hace esto. Todos se convierten en líquido cuando la temperatura es suficientemente baja. Cuanto más complejo es el átomo del gas noble tanto más elevado es su punto de licuefacción (véase tabla 28, capítulo 7, pág. 74), pero incluso el helio, que tiene los más pequeños de los átomos de los gases nobles y, al parecer, con la mínima atracción interatómica, finalmente se licua.

Por consiguiente, la inercia no es absoluta. Si juzgamos por el punto de fusión, cuanto más complejo es el átomo de gas noble, tanto menos inerte es. Sobre esta base, el radón es el menos inerte de los gases nobles14 y el helio, el más inerte.

Otra indicación de que los gases nobles no son por completo inertes es que son solubles hasta cierto límite en el agua. Si fuesen completamente inertes, no existiría ninguna atracción entre sus átomos y las moléculas de agua y no habría fuerzas presentes para proporcionar una solución. No obstante, existe solubilidad hasta cierto límite (véase tabla 26, capítulo 7, pág. 70), y esto también es una indicación de que la inercia no es absoluta. El radón es el más soluble de los gases nobles; la solubilidad disminuye a medida que el peso atómico desciende, hasta llegar al helio, que es el menos soluble. De nuevo podemos extraer la conclusión de que el radón es el menos inerte de los gases nobles y el helio el más inerte.

Por tanto, si los átomos de gas noble demuestran poseer la suficiente atracción para que las moléculas de agua sean solubles hasta cierto punto, ¿acaso no podrán demostrar la suficiente atracción para unirse con ellas en un compuesto en algunas circunstancias? ¿Y no puede esto demostrarse de la manera más clara entre los gases inertes más pesados, que son más solubles y, por consiguiente, atraerán con más fuerza las moléculas de agua?

En los primeros años tras el descubrimiento de los gases nobles, los químicos intentaron formar un compuesto a base de incrementar con mayor intensidad las fuerzas de atracción entre los átomos de los gases nobles y las moléculas de agua. Lo hicieron mediante la mezcla de un gas noble con agua bajo presión. Los átomos y moléculas, agrupados en secciones más contiguas, expresado en estos términos, sería posible que encontraran más facilidad en combinarse.

Éste fue el caso, pero sólo para los gases nobles más pesados: argón, criptón y xenón. Los átomos individuales de cada uno parecían formar una unión con seis moléculas de agua, produciendo hidratos de gas noble en forma de cristales sólidos. Podemos representar sus fórmulas del modo siguiente: Ar(H2O)6, Kr(H2O)6 y Xe(H2O)6. El primero de ellos fue producido en fecha tan temprana como el año 1896, por el químico francés P. Villard. Sin duda alguna, el radón podía también formar el hidrato, Rn(H2O)6, de no ser que resultaba tan difícil trabajar con el radón. Los hidratos de gas noble no son sustancias estables, sino que se separan rápidamente cuando se suprime la presión que, en principio, llevó a cabo su formación.

Como era de esperar, de los hidratos de gases nobles, el hidrato de argón es el más difícil de formar y se desprende con suma facilidad. El hidrato de criptón exige menos presión para formarse y menos presión para evitar que se desprenda; y el hidrato de xenón requiere todavía menos. El hidrato de xenón es casi estable a presión normal, y el hidrato de radón, si fuera posible formarlo, seguramente demostraría ser estable a presiones normales. Esto se halla en línea con la otra evidencia de que la inercia disminuye al ir elevándose el peso atómico. Tampoco es sorprendente que el neón y el helio, los más inertes de los gases, hasta ahora no han podido ser obligados a formar hidratos con ninguna presión.

Con el paso del tiempo, quedó demostrado que el argón, el criptón y el xenón (pero nunca el neón y el helio) también formaban combinaciones con moléculas más complejas que las del agua. Una sustancia llamada «hidroquinona» representó un buen ejemplo. En este terreno, en 1965, se descubrió que el xenón formaba combinaciones con la hemoglobina.

Sin embargo, todas estas combinaciones demostraron ser falsas alarmas en cierto sentido. En 1949 se demostró que las moléculas de hidroquinona podían combinarse libremente entre sí, de principio a fin. Una cierta cantidad de estas moléculas podían combinarse de este modo para formar una estructura tridimensional en forma de jaula, rodeando un interior hueco en el cual un átomo o una pequeña molécula podía ser atrapado si se hallaba presente en el lugar adecuado mientras se iba formando la estructura. En resumen, la hidroquinona forma una especie de jaula dentro de la cual un átomo de gas noble puede desempeñar el papel de un canario. Las moléculas de agua pueden también construir tal jaula y, de manera similar, retener un átomo de gas noble.

Una sustancia formada por el atrapamiento en un cepo de un átomo o molécula dentro de una estructura en forma de jaula se llama un compuesto de clatrato, derivada de una palabra latina que significa «enjaulado». Todas las sustancias que incorporaban átomos de gas noble, descubiertas durante la primera mitad del siglo xx, resultaron que eran compuestos enjaulados.

Los compuestos no son verdaderos compuestos del tipo corriente. Un átomo de argón no está ligado a la hidroquinona por un enlace químico, pero es atrapado físicamente dentro de la jaula. Cuando la jaula se rompe (se mantiene unida, pero suelta), el argón escapa de inmediato. Ésta es la razón por la cual el hidrato de argón se fragmenta tan rápidamente. Cuando se elimina la presión, la jaula cede y se rompe.

A pesar de todo, la existencia de los compuestos muestra la manera en la que disminuye la inercia mientras los átomos de gas noble se hacen más complejos. Debería existir una débil atracción entre el átomo de gas noble y la molécula de agua o de hidroquinona, si el átomo de gas noble tiene que ser mantenido en su lugar durante la fracción de segundo en que se forma la jaula.

La atracción es tan débil en el caso del helio y del neón que ninguno de esos átomos permanecerá inmóvil el tiempo suficiente para permitir que la jaula se construya en torno a ellos. En consecuencia, no forman compuestos. Los átomos de argón con una atracción algo más intensa por otras moléculas pueden ser atrapados; el criptón, con una atracción todavía mayor, puede ser atrapado más fácilmente, y el xenón aun más.

Asimismo cuando una jaula de clatratos se abre momentáneamente, el átomo enclaustrado puede permanecer inmóvil el tiempo suficiente para permitir que la jaula vuelva a formarse. Entonces ya no escapa. Cuanto más débil sea la fuerza de atracción, tanto más probable es que escape del átomo enclaustrado antes de que la jaula vuelva a formarse de nuevo. En consecuencia, los compuestos clatratos de argón, una vez formados, son menos estables que los del criptón, que a su vez lo son menos que los del xenón.



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