Los gases nobles



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Aire líquido


El descubrimiento del helio fue suficiente para establecer el argón en su posición y terminar con todas las discusiones. El helio ocupaba su lugar sin ninguna distorsión del peso atómico. La posibilidad de que esto pudiera ser una coincidencia era demasiado exigua para ser tenida en cuenta. ¡La nueva columna existía!

Ramsay se dedicó con afán a la búsqueda e investigación de los restantes gases nobles. En esta tarea le ayudaba ahora un joven auxiliar, el químico inglés Morris William Travers (nacido en 1872).

Parecía lo mejor concentrarse en la atmósfera. No se esperaba que los gases nobles formasen compuestos y, por consiguiente, debían existir en forma libre, gaseosa. El lugar apropiado para los gases libres era la atmósfera. El argón había sido localizado en ella; aunque el helio fue hallado absorbido en minerales, también fue descubierto en la atmósfera unos pocos meses después de que Ramsay anunciara su existencia.

Sin embargo, la investigación en la atmósfera no iba a resultar fácil. Identificar el argón había sido una tarea relativamente sencilla debido a que constituía alrededor del 1% de la atmósfera; en realidad, una cantidad muy grande. El helio estaba presente en cantidades mucho menores, y los restantes gases nobles podían, en el peor de los casos, hallarse en cantidades todavía más pequeñas. Hurgar a través de las miríadas de moléculas en el aire para extraer el ocasional átomo de los restantes gases nobles podía llegar a ser muy difícil.

Por suerte para Ramsay, el descubrimiento del argón ya no estaba demasiado adelantado para su tiempo. Precisamente acababa de producirse un nuevo descubrimiento que convirtió lo casi imposible en muy posible. Sucedió del modo siguiente:

Durante cien años, los químicos habían estado intentando conseguir temperaturas muy bajas: temperaturas a las cuales todos los gases se convirtiesen en líquido. Algunos gases, como el cloro o el amoníaco, eran fáciles de licuar. El cloro se volvía líquido a una temperatura de –34,6° C y el amoniaco a –33,4° centígrados. Los químicos podían conseguir tales temperaturas (no peores que un día de invierno en Dakota del Norte) con facilidad. Podían incluso licuar estos gases a temperatura ambiental con sólo colocarlos a suficiente presión.

Sin embargo, durante largo tiempo gases como el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno resistieron sus mayores esfuerzos. Se consiguieron temperaturas de –100 grados C, o inferiores, y, no obstante, aquellos elementos continuaban en estado gaseoso. Hasta llegaron a ser llamados «gases permanentes».

Pero hasta el año 1877 un físico francés, Louis Paul Cailletet (1832-1913), no consiguió inventar unas técnicas que permitían obtener temperaturas suficientemente bajas para licuar el oxígeno y el nitrógeno. Se demostró que el primero sólo se licuaba a –183° C, y el segundo a la aún más baja temperatura de –195,8 grados centígrados.

Esto significaba que el propio aire, que estaba casi por entero formado por oxígeno y nitrógeno, podía ser licuado. Durante cerca de treinta años después de la demostración de Cailletet, la cantidad que pudo ser licuada de una sola vez era muy pequeña y el aire líquido únicamente podía obtenerse para experimentos de laboratorio a pequeña escala.

Sin embargo, en 1895, el mismo año en que Ramsay descubrió el helio, un químico alemán, Karl von Linde (1842-1934), desarrolló los métodos para producir aire líquido en gran cantidad. En realidad, esto fue una suerte, puesto que el aire líquido podía ser analizado en busca de componentes menores mucho más fácilmente que el aire gaseoso.

Si el líquido está formado de una mezcla de varios componentes con distintos puntos de ebullición, esos componentes pueden ser separados mediante una cuidadosa ebullición, en un proceso conocido como destilación fraccionada. Mientras hierve la mezcla, el componente con el punto de ebullición más bajo aparece en primer lugar. Por consiguiente, la primera muestra (o «fracción») de vapor es particularmente rica en este componente. Las fracciones posteriores contienen mayor cantidad de un componente con un punto de ebullición más elevado; muestras aun más posteriores abundan en componentes de puntos de ebullición todavía más elevados, y así sucesivamente. El líquido que queda, al disminuir de volumen, gradualmente se enriquece más en los componentes con los puntos de ebullición más elevados.

Si el aire líquido se deja hervir lentamente, el nitrógeno, que tiene un punto de ebullición inferior al oxígeno, aparece en primer lugar. Las tempranas fracciones de gas son ricas en nitrógeno, mientras que las porciones de aire líquido que quedan detrás abundan en oxígeno. En realidad, el método más adecuado para preparar gases de nitrógeno y de oxígeno puros, desde mediados de la década de los treinta, es mediante la destilación fraccionada del aire líquido.

Pero ¿qué ocurre con cualquiera de los gases nobles que pueda estar presente en la atmósfera? Cuando es licuado el aire, el contenido de gas noble también queda licuado, y cada gas noble puede ser aislado por separado mediante un cuidadoso fraccionamiento del aire líquido.

El punto de ebullición del argón es de –185,7 grados centígrados, que se halla entre los del oxígeno y el nitrógeno. Tiende a aparecer después del nitrógeno y antes del oxígeno. Existían buenas razones para suponer que los gases nobles más densos que el argón («gas noble 4» y «gas noble 5») tendrían puntos de ebullición más elevados que el oxígeno; mientras que el todavía sin descubrir gas noble que fuese menos denso que el argón («gas noble 2») tendría un punto de ebullición inferior al del nitrógeno.

Se deduce, pues, que si una cantidad de aire líquido fuese destilado meticulosamente, la primera aparición de gas que brotase sería rica en «gas noble 2». Si casi todo el aire líquido fuese hervido muy lentamente, la porción final de líquido sobrante sería rica en «gas noble 4» y «gas noble 5».

Ramsay y Travers se dedicaron a investigar el aire líquido y obtuvieron un litro en mayo de 1898. Lo hirvieron con sumo cuidado hasta que sólo quedó 1/40 de la cantidad original. Entonces dejaron que se evaporase la cantidad final; luego recogieron el gas, lo calentaron y lo estudiaron con el espectroscopio. Mostraba una línea de amarillo brillante que no aparecía en la posición de cualquiera de las líneas de helio, argón o nitrógeno.

Midieron con sumo cuidado la densidad del gas y consiguieron demostrar que era considerablemente más denso que el argón. En realidad, por su densidad tuvieron una razonable seguridad de que era «gas noble 4» y que se hallaba entre el bromo y el rubidio. Recibió el nombre de criptón, derivado de la palabra griega krypton, que significa «oculto», debido a que permaneció escondido durante tanto tiempo en la atmósfera, sin ser descubierto.

El día siguiente al descubrimiento, el joven Travers fue examinado para el grado de doctor y aprobó.

En la búsqueda de los restantes gases nobles, Ramsay y Travers siguieron un atajo. Cuando el oxígeno y el nitrógeno eran separados del aire por reacción química, dejando atrás el argón, todos los demás gases nobles en la atmósfera quedaban también atrás, ya que las reacciones químicas que bastaban para aislar el oxígeno y el nitrógeno no afectaban a ninguno de los gases nobles.

Por consiguiente, ¿por qué, en vez de fraccionar aire líquido, no intentar fraccionar argón líquido? Puesto que el argón constituía únicamente el 1% del aire original, los gases nobles contenidos en el argón estaban cien veces tan concentrados como lo estaban en el aire. Serían así mucho más fáciles de descubrir.

Inmediatamente después del descubrimiento del criptón, Ramsay y Travers licuaron 3 litros de argón para formar unos 4 centímetros cúbicos de argón líquido. Éste fue cuidadosamente hervido, y la primera fracción de gas produjo al instante un espectro que demostró que había sido localizado el «gas noble 2», entre el flúor y el sodio. Fue llamado neón, de la palabra griega neos, «nuevo», como resultado de una sugerencia hecha por el joven hijo de Ramsay. El descubrimiento fue realizado en junio de 1898.

El neón y el criptón sólo estaban presentes en la atmósfera en ínfimas cantidades. Parecía bastante probable que el todavía sin descubrir «gas noble 5» estuviese presente en cantidades aun más pequeñas. Tendrían que emplearse mayores cantidades de argón líquido.

De estas cantidades mayores, se obtuvo todo el criptón posible. Este criptón fue entonces licuado y hervido luego muy cuidadosa y lentamente. Si estaba presente el «gas noble 5», sería más denso que el criptón y tendría un punto de ebullición más elevado. En consecuencia, una vez que el criptón líquido fuese hervido hasta aislarlo, la última porción de líquido debía ser rica en «gas noble 5».

Y así era. El espectroscopio lo demostró de inmediato, y en julio de 1898, se descubrió el «gas noble 5», que fue colocado entre el yodo y el cesio. Se le llamó xenón, de la palabra griega xeros, extraño.

En julio de 1898, la porción de la tabla periódica que hemos estado considerando, presentó el orden de la tabla 8.


Tabla 8. Porción de la tabla periódica (definida en 1898)

Valencia 2

Valencia 1

Valencia 0
(gases nobles)


Valencia 1

Valencia 2




Hidrógeno
1,0

Helio
4,0

Litio
6,9

Berilio
9,0

Oxígeno
16,0

Flúor
19,0

Neón
20,2

Sodio
23,0

Magnesio
24,3

Azufre
32,1

Cloro
35,5

Argón
40,0

Potasio
39,1

Calcio
40,1

Selenio
79,0

Bromo
79,9

Criptón
83,8

Rubidio
85,5

Estroncio
87,6

Telurio
127,6

Yodo
126,9

Xenón
131,3

Cesio
132,9

Bario
137,3

Ramsay y Travers habían establecido una sólida falange de gases nobles, y todos ellos, salvo el argón, encajaban en su lugar en términos de peso atómico, así como de valencia.

En 1904, Ramsay fue recompensado con el Premio Nobel de Química por su descubrimiento de los gases nobles y por demostrar cuál era su lugar en la tabla periódica. En aquel mismo año, Rayleigh también recibió el Premio Nobel de Física por sus trabajos sobre la densidad del nitrógeno, que condujeron, en primer lugar, al descubrimiento de los gases nobles.



El descubrimiento de los gases nobles dejó completamente aclarado, por cierto, que la composición de la atmósfera es realmente compleja y que está presente un cierto número de vestigios de componentes (en menores concentraciones que el bióxido de carbono). La composición de la atmósfera, hasta el máximo de nuestros conocimientos actuales, se ofrece en la tabla 9.

Tabla 9. Composición del aire (tal como se define hoy en día)

Gas

Porcentaje por volumen

Nitrógeno (N2)

78,084

Oxígeno (O2)

20,946

Argón (Ar)*

0,934

Bióxido de Carbono (CO2)

0,033

Neón (Ne)*

0,001818

Helio (He)*

0,000524

Metano (CH4)

0,0002

Criptón (Kr)*

0,000114

Hidrógeno (H2)

0,00005

Óxido Nitroso (N2O)

0,00005

Xenón (Xe)*

0,0000087

Los valores de la tabla 9 se refieren a la zona de la atmósfera cerca de la superficie terrestre. La investigación de la atmósfera a mayores altitudes mediante cohetes ha demostrado que componentes tan insólitos como el ozono, el nitrógeno atómico, el oxígeno atómico, e incluso el vapor de sodio están presentes en minúsculas cantidades. A altitudes de centenares de kilómetros, las tenues volutas finales de atmósfera están compuestas ampliamente por los más ligeros de todos los gases: el helio y el hidrógeno.


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