Caratteristiche dei gas nobili

La scoperta dei gas nobili, detti anche gas rari o gruppo zero, cui lo xenon appartiene, risale alla fine dell’Ottocento, quando due scienziati inglesi ne dimostrarono la presenza come componenti dell’aria atmosferica.

Nel 1784 Cavendish rilevò in uno dei suoi esperimenti che circa 1/120 dell’aria non era costituita né da azoto, né ossigeno, né anidride carbonica. Un secolo più tardi, Lord Rayleigh dimostrò che la densità dell’azoto atmosferico era maggiore della densità dell’azoto sintetizzato per via chimica e nel 1984 scoprì, insieme a William Ramsay, che la differenza era dovuta alla presenza di un gas fino ad allora sconosciuto e che fu chiamato, vista la sua scarsa reattività, argon (the inert one).31

Ramsay approfondì gli studi e, insieme a Morris Travers, suo assistente, scoprì nell’arco di quattro anni che l’argon nascondeva altri tre gas: neon (the new one), krypton (the hidden one) e xenon (the strange one)32. Le osservazioni di Pierre e Marie Curie prima e Friedrich Ernst Dorn poi portarono alla scoperta del radon, sesto gas nobile e il solo radioattivo, mentre l’elio era già stato scoperto nel 1868 in modo indipendente dal francese Pierre Janssen e dall’inglese Norman Lockyer, i quali studiando la luce solare durante un’eclissi, si accorsero di una linea di emissione nello spettro solare che apparteneva ad un elemento fino ad allora sconosciuto e che fu chiamato elio proprio in riferimento al sole. Le scoperte di Ramsay e Rayleigh valsero ad entrambi il premio Nobel nel 1904, rispettivamente per la Chimica e per la Fisica.

Recentemente è stato sintetizzato l’elemento 118 della tavola periodica, temporaneamente nominato ununoctio (in riferimento alla trascrizione latina del numero atomico un-un-octio)33.

31 _{Silvestroni Paolo, Fondamenti di chimica, 9°ed, Masson editoriale Veschi, 1992, pagg 611-612} 32

Tratto dal sito www.nobelprize.org (consultato 22/08/2014)

I gas nobili costituiscono complessivamente l’1% circa dell’aria atmosferica, ma si possono trovare anche sulla crosta terrestre come emissioni di elementi radioattivi. Sono accomunati da caratteristiche fisiche e chimiche che li rendono poco reattivi, motivo per cui sono detti gas inerti, in quanto presentano una configurazione elettronica stabile derivata dal fatto che tutti gli orbitali sono pieni. Sono tutti monoatomici e formano difficilmente dei composti, tuttavia se sottoposti ad alte pressioni e congelamento formano clatrati, composti a gabbia in cui una data specie chimica resta intrappolata nelle cavità formate da reticoli cristallini (nel caso degli idrati la specie ospitante è l’acqua mentre la specie ospitata è il gas nobile) e possono essere sfruttati come sorgenti per il rilascio graduale del gas; questo è possibile con atomi di grandi dimensioni, in quanto elementi piccoli come l’elio sfuggono al reticolo e infatti non sono noti clatrati di elio. Gli atomi più grandi hanno una energia di prima ionizzazione più bassa, perciò nelle opportune condizioni possono essere polarizzati e reagire per formare composti (ad esempio Xe reagisce con F e O, formando composti altamente ossidanti); tra tutti i gas nobili, i meno inerti sono Kr, Xe e Rn, le cui possibilità di reazione si manifestano prevalentemente verso gli elementi più elettronegativi.

Questo significa che i gas nobili sono inerti non perché non possono formare composti, ma soltanto perché la loro struttura elettronica satura ne rende più difficile la realizzazione.

La preparazione industriale dei gas nobili si basa sulla distillazione frazionata dell’aria liquida, con eccezione dell’elio che si ottiene per la maggior parte da gas naturali provenienti dal terreno, mentre il radon si ottiene per decadimento radioattivo del radio.34 La distillazione frazionata si basa su cicli di evaporazione e condensazione dell’aria liquida che, sfruttando i diversi punti di evaporazione e fusione dei componenti, permette di distillare l’elemento desiderato.

Lo xenon costituisce circa lo 0,000008% in volume dell’aria atmosferica, è inodore e incolore, presente in natura in forma di gas, se eccitato da una scarica elettrica produce una luce azzurra, proprietà sfruttata in vari tipi di lampade e fari, mentre se sottoposto a

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forti pressioni (nell’ordine di giga pascal) si trova allo stato metallico. In natura si trova anche come emissione di gas di alcune sorgenti minerali.

Nella comunità scientifica si parla di “paradosso dello xenon”,35

sul quale è ancora acceso il dibattito circa la sua scarsità in atmosfera, fatto di non poco conto visto che influisce pesantemente sul suo costo, ancora oggi piuttosto alto. Sostanzialmente si oppongono due correnti di pensiero. La prima sostiene che lo xenon è fuggito e si è disperso nello spazio miliardi di anni fa quando la Terra si stava ancora formando e veniva bombardata da meteoriti, l’impatto dei quali ha causato la “fuga” dello xenon; la controparte è invece convinta che lo xenon sia nascosto sulla Terra da qualche parte. Ebbene, recentissime scoperte sembrano dare ragione a questa seconda ipotesi,36 supportata dal ritrovamento di composti nel nucleo terrestre costituiti da xenon, ferro e nichel, la cui formazione è resa possibile, almeno secondo la teoria, dalle elevatissime pressioni e temperature presenti al centro del nostro pianeta.37

Lasciando il dibattito agli esperti, è bene precisare che lo xenon di cui parleremo in questa trattazione è quello scoperto da Ramsay, cioè la forma monoatomica presente in forma gassosa e scarsamente reattivo, in ogni caso non in grado di formare legami covalenti alle condizioni in cui è utilizzato.

Lo xenon esiste in natura come miscela di più isotopi, otto dei quali sono stabili, uno lievemente radioattivo e 20 instabili. Di per sé non è tossico, ma i suoi composti con il fluoro sono altamente ossidanti. L’isotopo più abbondante è lo xenon-132.38