Gas noble

Los gases nobles (históricamente también los gases inertes; a veces denominados aerógenos) constituyen una clase de elementos químicos con propiedades similares; en condiciones estándar, todos son gases monoatómicos inodoros e incoloros con una reactividad química muy baja. Los seis gases nobles naturales son el helio (He), el neón (Ne), el argón (Ar), el criptón (Kr), el xenón (Xe) y el radón radiactivo (Rn).

Oganesson (Og) es un elemento altamente radiactivo producido sintéticamente. Aunque la IUPAC ha utilizado el término "gas noble" indistintamente con "grupo 18" y por lo tanto incluido oganesson, puede no ser significativamente noble químicamente y se prevé que rompa la tendencia y sea reactivo debido a los efectos relativistas. Debido a la vida media extremadamente corta de 0,7 ms de su único isótopo conocido, su química aún no se ha investigado.

Para los primeros seis períodos de la tabla periódica, los gases nobles son exactamente los miembros del grupo 18. Los gases nobles suelen ser muy poco reactivos, excepto cuando se encuentran en condiciones extremas particulares. La inercia de los gases nobles los hace muy adecuados en aplicaciones donde no se desean reacciones. Por ejemplo, el argón se usa en lámparas incandescentes para evitar que el filamento de tungsteno caliente se oxide; Además, los buceadores de aguas profundas utilizan helio en el gas respirable para prevenir la toxicidad del oxígeno, el nitrógeno y el dióxido de carbono.

Las propiedades de los gases nobles pueden explicarse bien mediante las teorías modernas de la estructura atómica: su capa exterior de electrones de valencia se considera "llena", lo que les da poca tendencia a participar en reacciones químicas, y ha sido posible preparar solo unos pocos cientos de compuestos de gases nobles. Los puntos de fusión y ebullición de un gas noble determinado están muy próximos, con una diferencia de menos de 10 °C (18 °F); es decir, son líquidos en un rango de temperatura pequeño.

El neón, el argón, el criptón y el xenón se obtienen del aire en una unidad de separación de aire utilizando los métodos de licuefacción de gases y destilación fraccionada. El helio se obtiene de campos de gas natural que tienen altas concentraciones de helio en el gas natural, utilizando técnicas de separación de gases criogénicos, y el radón generalmente se aísla de la descomposición radiactiva de compuestos disueltos de radio, torio o uranio. Los gases nobles tienen varias aplicaciones importantes en industrias como la iluminación, la soldadura y la exploración espacial. Los buzos de aguas profundas a menudo usan un gas respirable de helio-oxígeno a profundidades de agua de mar de más de 55 m (180 pies). Después de que los riesgos causados por la inflamabilidad del hidrógeno se hicieron evidentes en el desastre de Hindenburg, se reemplazó con helio en dirigibles y globos.

Historia

Gas noble se traduce del sustantivo alemán Edelgas, utilizado por primera vez en 1898 por Hugo Erdmann para indicar su nivel extremadamente bajo de reactividad. El nombre hace una analogía con el término "metales nobles", que también tienen baja reactividad. Los gases nobles también se conocen como gases inertes, pero esta etiqueta está en desuso ya que ahora se conocen muchos compuestos de gases nobles. Gases raros es otro término que se utilizó, pero también es inexacto porque el argón forma una parte bastante considerable (0,94 % en volumen, 1,3 % en masa) de la atmósfera terrestre debido a la descomposición. de potasio-40 radiactivo.

El helio fue detectado por primera vez en el Sol debido a sus líneas espectrales características.

Pierre Janssen y Joseph Norman Lockyer habían descubierto un nuevo elemento el 18 de agosto de 1868 mientras observaban la cromosfera del Sol, y lo llamaron helio por la palabra griega para el Sol, ἥλιος (hḗlios ). No fue posible ningún análisis químico en ese momento, pero más tarde se descubrió que el helio era un gas noble. Antes que ellos, en 1784, el químico y físico inglés Henry Cavendish había descubierto que el aire contiene una pequeña proporción de una sustancia menos reactiva que el nitrógeno. Un siglo después, en 1895, Lord Rayleigh descubrió que las muestras de nitrógeno del aire tenían una densidad diferente al nitrógeno resultante de las reacciones químicas. Junto con el científico escocés William Ramsay del University College de Londres, Lord Rayleigh teorizó que el nitrógeno extraído del aire se mezclaba con otro gas, lo que llevó a un experimento que aisló con éxito un nuevo elemento, argón, de la palabra griega ἀργός (argós, "inactivo" o "perezoso"). Con este descubrimiento, se dieron cuenta de que faltaba toda una clase de gases en la tabla periódica. Durante su búsqueda de argón, Ramsay también logró aislar helio por primera vez mientras calentaba cleveite, un mineral. En 1902, habiendo aceptado la evidencia de los elementos helio y argón, Dmitri Mendeleev incluyó estos gases nobles como grupo 0 en su disposición de los elementos, que luego se convertiría en la tabla periódica.

Ramsay continuó su búsqueda de estos gases utilizando el método de destilación fraccionada para separar el aire líquido en varios componentes. En 1898, descubrió los elementos criptón, neón y xenón, y los nombró con las palabras griegas (kryptós, "oculto"), νέος (néos, "nuevo"), y ξένος (ksénos, "extraño"), respectivamente. El radón fue identificado por primera vez en 1898 por Friedrich Ernst Dorn y se denominó emanación de radio, pero no se consideró un gas noble hasta 1904 cuando se descubrió que sus características eran similares a las de otros gases nobles. Rayleigh y Ramsay recibieron los premios Nobel de Física y Química en 1904, respectivamente, por su descubrimiento de los gases nobles; En palabras de J. E. Cederblom, entonces presidente de la Real Academia Sueca de Ciencias, "el descubrimiento de un grupo de elementos completamente nuevo, del cual no se conocía con certeza ningún representante, es algo completamente único en la historia". de la química, siendo intrínsecamente un avance en la ciencia de peculiar significado".

El descubrimiento de los gases nobles ayudó en el desarrollo de una comprensión general de la estructura atómica. En 1895, el químico francés Henri Moissan intentó formar una reacción entre el flúor, el elemento más electronegativo, y el argón, uno de los gases nobles, pero fracasó. Los científicos no pudieron preparar compuestos de argón hasta finales del siglo XX, pero estos intentos ayudaron a desarrollar nuevas teorías de la estructura atómica. Aprendiendo de estos experimentos, el físico danés Niels Bohr propuso en 1913 que los electrones en los átomos están dispuestos en capas que rodean el núcleo, y que para todos los gases nobles, excepto el helio, la capa más externa siempre contiene ocho electrones. En 1916, Gilbert N. Lewis formuló la regla del octeto, que concluyó que un octeto de electrones en la capa exterior era la disposición más estable para cualquier átomo; esta disposición hizo que no reaccionaran con otros elementos ya que no requerían más electrones para completar su capa exterior.

En 1962, Neil Bartlett descubrió el primer compuesto químico de un gas noble, el hexafluoroplatinato de xenón. Poco después se descubrieron compuestos de otros gases nobles: en 1962 para el radón, difluoruro de radón (RnF^{< /sup>
₂}), que fue identificado por técnicas de radiotrazadores y en 1963 para criptón, difluoruro de criptón (KrF
₂). El primer compuesto estable de argón se informó en 2000 cuando se formó fluorohidruro de argón (HArF) a una temperatura de 40 K (−233,2 °C; −387,7 °F).

En octubre de 2006, científicos del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore crearon con éxito oganesón sintético, el séptimo elemento del grupo 18, bombardeando californio con calcio.

Propiedades físicas y atómicas

Los gases nobles tienen una fuerza interatómica débil y, en consecuencia, tienen puntos de fusión y ebullición muy bajos. Todos son gases monoatómicos en condiciones estándar, incluidos los elementos con masas atómicas más grandes que muchos elementos normalmente sólidos. El helio tiene varias cualidades únicas en comparación con otros elementos: su punto de ebullición a 1 atm es más bajo que el de cualquier otra sustancia conocida; es el único elemento conocido que exhibe superfluidez; y es el único elemento que no puede solidificarse por enfriamiento a presión atmosférica (un efecto explicado por la mecánica cuántica ya que su energía de punto cero es demasiado alta para permitir la congelación): una presión de 25 atmósferas estándar (2500 kPa; 370 psi) debe aplicarse a una temperatura de 0,95 K (−272,200 °C; −457,960 °F) para convertirlo en sólido, mientras que se requiere una presión de aproximadamente 115 kbar a temperatura ambiente. Los gases nobles hasta el xenón tienen múltiples isótopos estables. El radón no tiene isótopos estables; su isótopo de vida más larga, 222Rn, tiene una vida media de 3,8 días y se desintegra para formar helio y polonio, que finalmente se descompone en plomo. Los puntos de fusión y ebullición aumentan al descender en el grupo.

Esta es una trama de potencial de ionización versus número atómico. Los gases nobles, etiquetados, tienen el mayor potencial de ionización para cada período.

Los átomos de los gases nobles, como los átomos en la mayoría de los grupos, aumentan de manera constante el radio atómico de un período al siguiente debido al aumento del número de electrones. El tamaño del átomo está relacionado con varias propiedades. Por ejemplo, el potencial de ionización disminuye con un radio creciente porque los electrones de valencia en los gases nobles más grandes están más alejados del núcleo y, por lo tanto, el átomo no los mantiene tan unidos. Los gases nobles tienen el mayor potencial de ionización entre los elementos de cada período, lo que refleja la estabilidad de su configuración electrónica y está relacionado con su relativa falta de reactividad química. Sin embargo, algunos de los gases nobles más pesados tienen potenciales de ionización lo suficientemente pequeños como para ser comparables a los de otros elementos y moléculas. Fue la idea de que el xenón tiene un potencial de ionización similar al de la molécula de oxígeno lo que llevó a Bartlett a intentar oxidar el xenón usando hexafluoruro de platino, un agente oxidante conocido por ser lo suficientemente fuerte como para reaccionar con el oxígeno. Los gases nobles no pueden aceptar un electrón para formar aniones estables; es decir, tienen una afinidad electrónica negativa.

Las propiedades físicas macroscópicas de los gases nobles están dominadas por las débiles fuerzas de van der Waals entre los átomos. La fuerza de atracción aumenta con el tamaño del átomo como resultado del aumento de la polarizabilidad y la disminución del potencial de ionización. Esto da como resultado tendencias grupales sistemáticas: a medida que se desciende en el grupo 18, el radio atómico y, con él, las fuerzas interatómicas aumentan, lo que da como resultado un aumento del punto de fusión, el punto de ebullición, la entalpía de vaporización y la solubilidad. El aumento de la densidad se debe al aumento de la masa atómica.

Los gases nobles son gases casi ideales en condiciones estándar, pero sus desviaciones de la ley de los gases ideales proporcionaron pistas importantes para el estudio de las interacciones intermoleculares. El potencial de Lennard-Jones, a menudo utilizado para modelar interacciones intermoleculares, fue deducido en 1924 por John Lennard-Jones a partir de datos experimentales sobre argón antes de que el desarrollo de la mecánica cuántica proporcionara las herramientas para comprender las fuerzas intermoleculares a partir de los primeros principios. El análisis teórico de estas interacciones se volvió manejable porque los gases nobles son monoatómicos y los átomos esféricos, lo que significa que la interacción entre los átomos es independiente de la dirección, o isotrópica.

Propiedades químicas

Neon, como todos los gases nobles, tiene una cáscara de valencia completa. Los gases nobles tienen ocho electrones en su caparazón más exterior, excepto en el caso del helio, que tiene dos.

Los gases nobles son incoloros, inodoros, insípidos y no inflamables en condiciones estándar. Alguna vez fueron etiquetados como grupo 0 en la tabla periódica porque se creía que tenían una valencia de cero, lo que significa que sus átomos no pueden combinarse con los de otros elementos para formar compuestos. Sin embargo, más tarde se descubrió que algunos sí forman compuestos, lo que provocó que esta etiqueta cayera en desuso.

Configuración electrónica

Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones en su configuración electrónica, especialmente en las capas más externas, lo que da como resultado tendencias en el comportamiento químico:

Los gases nobles tienen capas de electrones de valencia completa. Los electrones de valencia son los electrones más externos de un átomo y normalmente son los únicos electrones que participan en el enlace químico. Los átomos con capas de electrones de valencia completa son extremadamente estables y, por lo tanto, no tienden a formar enlaces químicos y tienen poca tendencia a ganar o perder electrones. Sin embargo, los gases nobles más pesados, como el radón, se mantienen unidos con menos firmeza por la fuerza electromagnética que los gases nobles más livianos, como el helio, lo que facilita la eliminación de los electrones externos de los gases nobles pesados.

Como resultado de una capa completa, los gases nobles se pueden usar junto con la notación de configuración electrónica para formar la notación de gas noble. Para hacer esto, primero se escribe el gas noble más cercano que precede al elemento en cuestión, y luego se continúa la configuración electrónica desde ese punto en adelante. Por ejemplo, la notación electrónica de el fósforo es 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p ³, mientras que la notación de gas noble es [Ne] 3s² 3p³. Esta notación más compacta facilita la identificación de los elementos y es más corta que escribir la notación completa de los orbitales atómicos.

Los gases nobles cruzan el límite entre bloques—el helio es un elemento s mientras que el resto de los miembros son elementos p—lo cual es inusual entre los grupos de la IUPAC. Todos los demás grupos de la IUPAC contienen elementos de un bloque cada uno. Esto provoca algunas inconsistencias en las tendencias de la tabla y, por esa razón, algunos químicos han propuesto que el helio se mueva al grupo 2 para estar con otros elementos s², pero este cambio generalmente no se ha adoptado.

Compuestos

Estructura XeF
₄, uno de los primeros compuestos de gas nobles a descubrir

Los gases nobles muestran una reactividad química extremadamente baja; en consecuencia, solo se han formado unos pocos cientos de compuestos de gases nobles. No se han formado compuestos neutros en los que el helio y el neón están involucrados en enlaces químicos (aunque existen algunos iones que contienen helio y hay alguna evidencia teórica de unos pocos que contienen helio neutro), mientras que el xenón, el criptón y el argón solo han mostrado reactividad menor. La reactividad sigue el orden Ne < Él < Ar < Kr< Xe < Rn ≪ Og.

En 1933, Linus Pauling predijo que los gases nobles más pesados podían formar compuestos con flúor y oxígeno. Predijo la existencia de hexafluoruro de criptón (KrF
6) y hexafluoruro de xenón (XeF< span style="display:inline-block;margin-bottom:-0.3em;vertical-align:-0.4em;line-height:1em;font-size:80%;text-align:left">
₆), especuló que XeF
_⁸ podría existir como un compuesto inestable, y sugirió que el ácido xénico podría formar sales de perxenato. Se demostró que estas predicciones eran generalmente precisas, excepto que XeF
Ahora se cree que ₈ es termodinámica y cinéticamente inestable.

Los compuestos de xenón son los más numerosos de los compuestos de gases nobles que se han formado. La mayoría de ellos tienen el átomo de xenón en el estado de oxidación de +2, +4, +6 o +8 unido a átomos altamente electronegativos como el flúor o el oxígeno, como en el difluoruro de xenón (XeF
₂), tetrafluoruro de xenón (XeF
₄), xenón hexafluoruro (XeF
₆), tetróxido de xenón (XeO< sup style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">
₄) y perxenato de sodio (Na
₄XeO
₆). El xenón reacciona con el flúor para formar numerosos fluoruros de xenón según las siguientes ecuaciones:

Xe + F₂ → XeF₂

Xe + 2F₂ → XeF₄

Xe + 3F₂ → XeF₆

Algunos de estos compuestos han encontrado uso en la síntesis química como agentes oxidantes; XeF
₂, en particular, está disponible comercialmente y puede usarse como agente fluorante. A partir de 2007, se han identificado alrededor de quinientos compuestos de xenón unido a otros elementos, incluidos compuestos de organoxenón (que contienen xenón unido a carbono) y xenón unido a nitrógeno, cloro, oro, mercurio y el propio xenón. También se han observado compuestos de xenón unidos a boro, hidrógeno, bromo, yodo, berilio, azufre, titanio, cobre y plata, pero solo a bajas temperaturas en matrices de gases nobles o en chorros supersónicos de gases nobles.

El radón es más reactivo que el xenón y forma enlaces químicos más fácilmente que el xenón. Sin embargo, debido a la alta radiactividad y la corta vida media de los isótopos de radón, en la práctica solo se han formado unos pocos fluoruros y óxidos de radón. El radón se acerca más al comportamiento metálico que el xenón; el difluoruro RnF₂ es altamente iónico y el catiónico Rn²⁺ se forma en soluciones de fluoruro de halógeno. Por esta razón, el impedimento cinético dificulta la oxidación del radón más allá del estado +2. Solo los experimentos con trazadores parecen haberlo logrado, probablemente formando RnF₄, RnF₆ y RnO₃.

El criptón es menos reactivo que el xenón, pero se han informado varios compuestos con criptón en el estado de oxidación de +2. El difluoruro de criptón es el más notable y fácil de caracterizar. En condiciones extremas, el criptón reacciona con el flúor para formar KrF₂ de acuerdo con la siguiente ecuación:

Kr + F₂ → KrF₂

También se han caracterizado compuestos en los que el criptón forma un enlace sencillo con el nitrógeno y el oxígeno, pero solo son estables por debajo de los −60 °C (−76 °F) y −90 °C (−130 °F), respectivamente.

También se han observado átomos de criptón unidos químicamente a otros no metales (hidrógeno, cloro, carbono), así como a algunos metales de transición tardía (cobre, plata, oro), pero solo a bajas temperaturas en matrices de gases nobles o en condiciones supersónicas. chorros de gases nobles. Se utilizaron condiciones similares para obtener los primeros compuestos de argón en 2000, como el fluorohidruro de argón (HArF), y algunos se unieron a los metales de transición tardíos cobre, plata y oro. A partir de 2007, no se conocen moléculas neutras estables que impliquen helio o neón unidos covalentemente.

La extrapolación de las tendencias periódicas predice que el oganesón debería ser el más reactivo de los gases nobles; los tratamientos teóricos más sofisticados indican una mayor reactividad de lo que sugieren tales extrapolaciones, hasta el punto en que la aplicabilidad del descriptor "gas noble" ha sido cuestionado. Se espera que Oganesson sea como el silicio o el estaño en el grupo 14: un elemento reactivo con un estado común +4 y un estado menos común +2, que a temperatura y presión ambiente no es un gas sino un semiconductor sólido. Se requerirán pruebas empíricas/experimentales para validar estas predicciones. (Por otro lado, se predice que el flerovium, a pesar de estar en el grupo 14, es inusualmente volátil, lo que sugiere propiedades similares a las de los gases nobles).

Los gases nobles, incluido el helio, pueden formar iones moleculares estables en la fase gaseosa. El más simple es el ion molecular de hidruro de helio, HeH⁺, descubierto en 1925. Debido a que está compuesto por los dos elementos más abundantes en el universo, hidrógeno y helio, se cree que se encuentra naturalmente en el espacio interestelar. medio, aunque todavía no ha sido detectado. Además de estos iones, existen muchos excímeros neutros conocidos de los gases nobles. Estos son compuestos como ArF y KrF que son estables solo cuando están en un estado electrónico excitado; algunos de ellos encuentran aplicación en los láseres excimer.

Además de los compuestos en los que un átomo de gas noble está involucrado en un enlace covalente, los gases nobles también forman compuestos no covalentes. Los clatratos, descritos por primera vez en 1949, consisten en un átomo de gas noble atrapado dentro de cavidades de redes cristalinas de ciertas sustancias orgánicas e inorgánicas. La condición esencial para su formación es que los átomos invitados (gas noble) deben tener un tamaño apropiado para caber en las cavidades de la red cristalina huésped. Por ejemplo, el argón, el criptón y el xenón forman clatratos con la hidroquinona, pero el helio y el neón no lo hacen porque son demasiado pequeños o no se polarizan lo suficiente como para retenerlos. El neón, el argón, el criptón y el xenón también forman hidratos de clatrato, donde el gas noble queda atrapado en el hielo.

Un compuesto endohedral fullerene que contiene un átomo de gas noble

Los gases nobles pueden formar compuestos de fullereno endoédricos, en los que el átomo de gas noble queda atrapado dentro de una molécula de fullereno. En 1993, se descubrió que cuando C
60, una molécula esférica que consta de 60 átomos de carbono, está expuesta a gases nobles a alta presión, complejos como He@C
60 se puede formar (la notación @ indica Él está contenido dentro de C
₆₀ pero no unido covalentemente). A partir de 2008 se han creado complejos endoédricos con helio, neón, argón, criptón y xenón. Estos compuestos han encontrado utilidad en el estudio de la estructura y reactividad de fullerenos por medio de la resonancia magnética nuclear del átomo de gas noble.

Bonificación en XeF
₂ según el modelo de unión 3-centro-4-electron

Compuestos de gases nobles como el difluoruro de xenón (XeF
₂) se consideran hipervalentes porque violan la regla del octeto. El enlace en tales compuestos se puede explicar utilizando un modelo de enlace de cuatro electrones de tres centros. Este modelo, propuesto por primera vez en 1951, considera el enlace de tres átomos colineales. Por ejemplo, vincular en XeF
₂ se describe mediante un conjunto de tres orbitales moleculares (MO) derivados de orbitales p en cada átomo. El enlace resulta de la combinación de un orbital p lleno de Xe con un orbital p medio lleno de cada átomo de F, lo que da como resultado un orbital enlazante lleno, un orbital no enlazante lleno y un orbital antienlazante vacío. El orbital molecular ocupado más alto se localiza en los dos átomos terminales. Esto representa una localización de carga facilitada por la alta electronegatividad del flúor.

La química de los gases nobles más pesados, el criptón y el xenón, está bien establecida. La química de los más ligeros, el argón y el helio, aún se encuentra en una etapa inicial, mientras que aún no se ha identificado un compuesto de neón.

Ocurrencia y producción

La abundancia de los gases nobles en el universo disminuye a medida que aumenta su número atómico. El helio es el elemento más común en el universo después del hidrógeno, con una fracción de masa de alrededor del 24%. La mayor parte del helio en el universo se formó durante la nucleosíntesis del Big Bang, pero la cantidad de helio aumenta constantemente debido a la fusión de hidrógeno en la nucleosíntesis estelar (y, en un grado muy leve, la descomposición alfa de los elementos pesados). Las abundancias en la Tierra siguen diferentes tendencias; por ejemplo, el helio es solo el tercer gas noble más abundante en la atmósfera. La razón es que no hay helio primordial en la atmósfera; Debido a la pequeña masa del átomo, el helio no puede ser retenido por el campo gravitatorio de la Tierra. El helio en la Tierra proviene de la desintegración alfa de elementos pesados como el uranio y el torio que se encuentran en la corteza terrestre y tiende a acumularse en los depósitos de gas natural. La abundancia de argón, por otra parte, aumenta como resultado de la desintegración beta del potasio-40, que también se encuentra en la corteza terrestre, para formar argón-40, que es el isótopo de argón más abundante en la Tierra. Tierra a pesar de ser relativamente raro en el Sistema Solar. Este proceso es la base del método de datación por potasio-argón. El xenón tiene una abundancia inesperadamente baja en la atmósfera, en lo que se ha llamado el problema del xenón faltante; una teoría es que el xenón faltante puede estar atrapado en minerales dentro de la corteza terrestre. Después del descubrimiento del dióxido de xenón, la investigación mostró que el Xe puede sustituir al Si en el cuarzo. El radón se forma en la litosfera por la desintegración alfa del radio. Puede filtrarse en los edificios a través de grietas en los cimientos y acumularse en áreas que no están bien ventiladas. Debido a su alta radiactividad, el radón presenta un riesgo significativo para la salud; está implicado en un estimado de 21,000 muertes por cáncer de pulmón por año solo en los Estados Unidos. Oganesson no ocurre en la naturaleza y, en cambio, los científicos lo crean manualmente.

Para uso a gran escala, el helio se extrae mediante destilación fraccionada del gas natural, que puede contener hasta un 7 % de helio.

El neón, el argón, el criptón y el xenón se obtienen del aire mediante los métodos de licuefacción de gases, para convertir elementos a un estado líquido, y destilación fraccionada, para separar mezclas en partes componentes. El helio generalmente se produce separándolo del gas natural, y el radón se aísla de la descomposición radiactiva de los compuestos de radio. Los precios de los gases nobles están influenciados por su abundancia natural, siendo el argón el más barato y el xenón el más caro. Como ejemplo, la tabla adyacente enumera los precios de 2004 en los Estados Unidos para cantidades de laboratorio de cada gas.

Aplicaciones

Helio líquido se utiliza para enfriar imanes superconductores en escáneres modernos de resonancia magnética

Los gases nobles tienen puntos de fusión y ebullición muy bajos, lo que los hace útiles como refrigerantes criogénicos. En particular, el helio líquido, que hierve a 4,2 K (−268,95 °C; −452,11 °F), se usa para imanes superconductores, como los que se necesitan en imágenes de resonancia magnética nuclear y resonancia magnética nuclear. El neón líquido, aunque no alcanza temperaturas tan bajas como el helio líquido, también encuentra uso en criogenia porque tiene una capacidad de refrigeración 40 veces mayor que el helio líquido y tres veces mayor que el hidrógeno líquido.

El helio se utiliza como componente de los gases respirables en sustitución del nitrógeno, debido a su baja solubilidad en fluidos, especialmente en lípidos. Los gases son absorbidos por la sangre y los tejidos del cuerpo cuando están bajo presión, como en el buceo, lo que provoca un efecto anestésico conocido como narcosis por nitrógeno. Debido a su reducida solubilidad, las membranas celulares absorben poco helio, y cuando se utiliza helio para reemplazar parte de las mezclas respirables, como trimix o heliox, se obtiene una disminución del efecto narcótico del gas en profundidad. La solubilidad reducida del helio ofrece más ventajas para la condición conocida como enfermedad por descompresión, o las curvas. La cantidad reducida de gas disuelto en el cuerpo significa que se forman menos burbujas de gas durante la disminución de la presión del ascenso. Otro gas noble, el argón, se considera la mejor opción para su uso como gas de inflado de trajes secos para el buceo. El helio también se utiliza como gas de relleno en barras de combustible nuclear para reactores nucleares.

Goodyear Blimp

Desde el desastre de Hindenburg en 1937, el helio ha reemplazado al hidrógeno como gas de sustentación en dirigibles y globos debido a su ligereza e incombustibilidad, a pesar de una disminución del 8,6 % en la flotabilidad.

En muchas aplicaciones, los gases nobles se utilizan para proporcionar una atmósfera inerte. El argón se utiliza en la síntesis de compuestos sensibles al aire que son sensibles al nitrógeno. El argón sólido también se utiliza para el estudio de compuestos muy inestables, como los intermedios reactivos, atrapándolos en una matriz inerte a temperaturas muy bajas. El helio se utiliza como medio portador en la cromatografía de gases, como gas de relleno para termómetros y en dispositivos para medir la radiación, como el contador Geiger y la cámara de burbujas. Tanto el helio como el argón se usan comúnmente para proteger los arcos de soldadura y el metal base circundante de la atmósfera durante la soldadura y el corte, así como en otros procesos metalúrgicos y en la producción de silicio para la industria de los semiconductores.

Lámpara de arco corto xenón de 15.000 vatios utilizado en proyectores IMAX

Los gases nobles se utilizan comúnmente en la iluminación debido a su falta de reactividad química. El argón, mezclado con nitrógeno, se utiliza como gas de relleno para bombillas incandescentes. El criptón se utiliza en bombillas de alto rendimiento, que tienen temperaturas de color más altas y mayor eficiencia, porque reduce la tasa de evaporación del filamento más que el argón; las lámparas halógenas, en particular, usan criptón mezclado con pequeñas cantidades de compuestos de yodo o bromo. Los gases nobles brillan en colores distintivos cuando se usan dentro de lámparas de descarga de gas, como las "luces de neón". Estas luces llevan el nombre de neón, pero a menudo contienen otros gases y fósforos, que agregan varios tonos al color rojo anaranjado del neón. El xenón se usa comúnmente en lámparas de arco de xenón que, debido a su espectro casi continuo que se asemeja a la luz del día, encuentran aplicación en proyectores de películas y como faros de automóviles.

Los gases nobles se utilizan en los láseres excímeros, que se basan en moléculas excitadas electrónicamente de vida corta conocidas como excímeros. Los excímeros utilizados para los láseres pueden ser dímeros de gases nobles como Ar₂, Kr₂ o Xe₂, o más comúnmente, el gas noble es combinado con un halógeno en excímeros como ArF, KrF, XeF o XeCl. Estos láseres producen luz ultravioleta que, debido a su longitud de onda corta (193 nm para ArF y 248 nm para KrF), permite obtener imágenes de alta precisión. Los láseres excimer tienen muchas aplicaciones industriales, médicas y científicas. Se utilizan para la microlitografía y la microfabricación, que son esenciales para la fabricación de circuitos integrados, y para la cirugía láser, incluidas la angioplastia láser y la cirugía ocular.

Algunos gases nobles tienen aplicación directa en medicina. El helio se utiliza a veces para mejorar la facilidad de respiración de los enfermos de asma. El xenón se usa como anestésico debido a su alta solubilidad en lípidos, lo que lo hace más potente que el óxido nitroso habitual, y porque se elimina fácilmente del cuerpo, lo que resulta en una recuperación más rápida. Xenon encuentra aplicación en imágenes médicas de los pulmones a través de resonancia magnética hiperpolarizada. El radón, que es altamente radiactivo y solo está disponible en cantidades mínimas, se usa en radioterapia.

Los gases nobles, en particular el xenón, se utilizan predominantemente en motores iónicos debido a su inercia. Dado que los motores iónicos no son impulsados por reacciones químicas, se desean combustibles químicamente inertes para evitar reacciones no deseadas entre el combustible y cualquier otra cosa en el motor.

Oganesson es demasiado inestable para trabajar con él y no tiene otra aplicación conocida que no sea la investigación.

Color de descarga

Colores y espectros (remo inferior) de descarga eléctrica en gases nobles; sólo la segunda fila representa gases puros.

Helio	Neon	Argon	Krypton	Xenon

El color de la emisión de descarga de gas depende de varios factores, incluidos los siguientes:

• Parámetros de descarga (valor local de densidad actual y campo eléctrico, temperatura, etc. – note la variación de color a lo largo de la descarga en la fila superior);
• pureza del gas (incluso la pequeña fracción de ciertos gases puede afectar el color);
• material del sobre tubo de descarga – la supresión de notas de los componentes UV y azules en los tubos de la parte inferior de la hoja hecha de vidrio hogar grueso.