Gases nobres
Hélio, argônio, neônio, xenônio, criptônio
Júlio C. de Carvalho*
Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação
No final do século 19, toda uma família da tabela periódica foi isolada, quase de uma só vez: os gases nobres.
Os gases nobres (os elementos da família 18 da tabela periódica) são gases monoatômicos que possuem a camada eletrônica mais externa completa. Por isso, são elementos de baixíssima reatividade, que chegaram a ser chamados de inertes até que se provasse que é possível fazer alguns compostos com os representantes mais "pesados" da família. Por exemplo, Kr, Xe e Rn podem formar compostos químicos (mas com o F, Cl e O, os elementos mais eletronegativos, e em condições enérgicas).
Veja abaixo a distribuição eletrônica dos gases nobres. Repare que não há orbitais (nem subníveis) semipreenchidos, o que explica a pouca reatividade da família.
Quanto à descoberta tardia dessa família, vamos ver um pouco mais do histórico:
Os cientistas imaginaram que deveria haver um contaminante mais pesado no nitrogênio "do ar", ou algo mais leve no nitrogênio da amônia. Tratando o nitrogênio "do ar", com magnésio, para remover o N2, obtiveram um resíduo resistente a reações: o argônio. O nome argônio vem do grego "argos" ou "inativo", em referência à sua inércia química.
Imaginando que outros gases pouco reativos poderiam ser isolados do ar (e completar a tabela periódica), Ramsay e Travers trabalharam intensamente para isolar, nessa ordem, o hélio (1895), o criptônio (do grego "kryptos", ou escondido - já que a sua quantidade no ar são ínfimos 0,0001%), o neônio (do grego "neo", ou novo) e o xenônio (do grego "xenos", estrangeiro). Os três foram isolados em 1898. O radônio, um gás radioativo cujo isótopo mais estável tem uma meia-vida de cerca de 4 dias, foi isolado em 1900 por Dorn. Por causa dessa curta meia-vida, o radônio é muito raro: apresenta-se com apenas 10-15ppm na atmosfera.
Ocorre que, sendo relativamente inertes, os gases nobres não participavam de reações e eram contabilizados como N2 ou como um erro experimental (erros de 1 ou 2% são considerados pequenos, dependendo da área em que se pesquisa). Só quando uma busca sistemática, feita sobretudo por Rayleigh, foi conduzida é que se isolou esses gases.
Veja no quadro a seguir a temperatura de ebulição dos principais gases presentes no ar liquefeito:
Devido à proximidade de pontos de ebulição, é mais difícil separar o Ar do O2 e o He do Ne. De forma geral, como a liquefação do ar é feita em larga escala, para obtenção de N2 e de O2, há uma produção suficiente de gases nobres - à exceção do hélio. Esse gás é produzido de forma mais barata a partir de gás natural (onde pode aparecer com até alguns %), mas tamanha é a sua utilidade em equipamentos biomédicos, que se prevê uma relativa escassez nos próximos anos.
Os gases nobres (os elementos da família 18 da tabela periódica) são gases monoatômicos que possuem a camada eletrônica mais externa completa. Por isso, são elementos de baixíssima reatividade, que chegaram a ser chamados de inertes até que se provasse que é possível fazer alguns compostos com os representantes mais "pesados" da família. Por exemplo, Kr, Xe e Rn podem formar compostos químicos (mas com o F, Cl e O, os elementos mais eletronegativos, e em condições enérgicas).
Veja abaixo a distribuição eletrônica dos gases nobres. Repare que não há orbitais (nem subníveis) semipreenchidos, o que explica a pouca reatividade da família.
| 2He | 10Ne | 18Ar | 36K | 54Xe | 86Rn | |||||||||
| 1s2 | ||||||||||||||
| 2s2 | 2p6 | |||||||||||||
| 3s2 | 3p6 | 3d10 | ||||||||||||
| 4s2 | 4p6 | 4d10 | 4f14 | |||||||||||
| 5s2 | 5p6 | 5d10 | ||||||||||||
| 6s2 | 6p6 |
Quanto à descoberta tardia dessa família, vamos ver um pouco mais do histórico:
Hélio, é claro, no Sol
Justiça seja feita, o hélio não só foi descoberto bem antes dos outros gases nobres, como também foi o primeiro elemento descoberto fora da Terra: seu nome deriva do grego "hélios" (Sol), porque a sua presença foi determinada na coroa solar, em 1868, através da técnica de espectroscopia, em que se usa um prisma ou malha de difração para decompor a luz em diversos comprimentos de onda. Como cada elemento tem uma "assinatura" espectral única, foi possível deduzir que uma linha amarela (587,5nm) - até então não observada - deveria ser de um novo elemento. Esse novo elemento só foi isolado na Terra em 1895, e é relativamente raro aqui porque é capaz de escapar para o espaço. Ironicamente, o hélio é o segundo elemento mais abundante no universo, atrás apenas do hidrogênio.Outros gases nobres
O próximo gás nobre descoberto foi o argônio (que é relativamente abundante na Terra, com quase 0,93% da atmosfera). Esse gás foi descoberto em 1894, quando Rayleigh e Ramsay tentavam determinar porque o nitrogênio isolado do ar (após a remoção do oxigênio e gás carbônico por reação) era mais denso que o nitrogênio produzido por reação (decomposição de amônia).Os cientistas imaginaram que deveria haver um contaminante mais pesado no nitrogênio "do ar", ou algo mais leve no nitrogênio da amônia. Tratando o nitrogênio "do ar", com magnésio, para remover o N2, obtiveram um resíduo resistente a reações: o argônio. O nome argônio vem do grego "argos" ou "inativo", em referência à sua inércia química.
Imaginando que outros gases pouco reativos poderiam ser isolados do ar (e completar a tabela periódica), Ramsay e Travers trabalharam intensamente para isolar, nessa ordem, o hélio (1895), o criptônio (do grego "kryptos", ou escondido - já que a sua quantidade no ar são ínfimos 0,0001%), o neônio (do grego "neo", ou novo) e o xenônio (do grego "xenos", estrangeiro). Os três foram isolados em 1898. O radônio, um gás radioativo cujo isótopo mais estável tem uma meia-vida de cerca de 4 dias, foi isolado em 1900 por Dorn. Por causa dessa curta meia-vida, o radônio é muito raro: apresenta-se com apenas 10-15ppm na atmosfera.
Abundância e inércia química
Por quê esses gases passaram tanto tempo desconhecidos? Afinal, já havia químicos em busca da sistematização das substâncias e elementos químicos há pelo menos dois séculos, à época desses isolamentos. Que o xenônio, por exemplo, tenha sido descoberto tarde, entende-se - afinal, é um elemento relativamente escasso. Mas o argônio? Há 25 vezes mais argônio no ar do que CO2!Ocorre que, sendo relativamente inertes, os gases nobres não participavam de reações e eram contabilizados como N2 ou como um erro experimental (erros de 1 ou 2% são considerados pequenos, dependendo da área em que se pesquisa). Só quando uma busca sistemática, feita sobretudo por Rayleigh, foi conduzida é que se isolou esses gases.
Destilação fracionada do ar
Outra razão importante para a demora no isolamento desses gases é a forma de separação. Afinal, remover os gases reativos (N2, O2, CO2, CO e outros) do ar é relativamente fácil. Mas, e quando se chega a uma mistura de gases nobres, como é que a separação pode ser feita? É aí que entra a destilação fracionada: os gases são liquefeitos e lentamente destilados, de forma que vão escapando da mistura de acordo com o seu ponto de ebulição. A tecnologia para essa liquefação, que exige temperaturas muito baixas, foi aperfeiçoada no final do século 19.Veja no quadro a seguir a temperatura de ebulição dos principais gases presentes no ar liquefeito:
| Gás | Ponto de ebulição (oC) | Abundância no ar (ppmv) | Principais usos |
| He | -268,9 | 5 | Resfriamento de ímas em equipamentos médicos; mergulhos de profundos |
| Ne | -245,9 | 18 | Luminosos |
| Ar | -185,7 | 9300 | Lâmpadas incandescentes, atmosferas inertes |
| Kr | -151 | 1 | Luminosos e lâmpadas |
| Xe | -109 | 0,09 | Lâmpadas |
| N2 | -195,8 | 790000 | Matéria prima para adubos e indústria química |
| O2 | -183 | 200000 | Matéria prima para a indústria, gás de uso hospitalar |
Devido à proximidade de pontos de ebulição, é mais difícil separar o Ar do O2 e o He do Ne. De forma geral, como a liquefação do ar é feita em larga escala, para obtenção de N2 e de O2, há uma produção suficiente de gases nobres - à exceção do hélio. Esse gás é produzido de forma mais barata a partir de gás natural (onde pode aparecer com até alguns %), mas tamanha é a sua utilidade em equipamentos biomédicos, que se prevê uma relativa escassez nos próximos anos.
*Júlio C. de Carvalho é engenheiro químico e professor do curso de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia da UFPR.
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