La importancia de los gases nobles

Los gases nobles son un grupo de elementos que apenas si existen en la Tierra; aunque eso no significa que no sean valiosos.

Los gases nobles se llaman así porque, al igual que la nobleza, no hacen nada. También se les llama gases raros, porque son raros en la Tierra, casi inexistentes. La única excepción es el argón, que se inhala en el 1 por ciento de cada respiración, aunque no tiene ningún efecto en nuestro cuerpo. El helio, neón, argón, kriptón, xenón y el radiactivo radón son inodoros, insípidos, prácticamente sin vestigios reactivos de átomos desconectados. En este universo material, equivalen a muy poco.


Sin embargo, sería difícil dar con cualquier otro grupo de elementos que haya tenido un mayor impacto en nuestra comprensión del universo. Por ejemplo, la teoría de Darwin de la evolución necesita de una Tierra de muchos millones de años de antigüedad a fin de que el tiempo pudiese trabajar. Sin embargo, la Biblia coloca un límite a la edad de la Tierra de apenas 6.000 años. ¿Cómo se resolvió este caso? La respuesta fue el helio, que se genera en las rocas que contienen uranio y torio.

Conforme estos elementos sufren la desintegración radiactiva van liberando partículas alfa, que son más que núcleos de helio que fácilmente recogen los electrones para crear el gas. En 1906, armado con esta idea, y la tasa de producción de partículas alfa del uranio, torio y sus productos de desintegración, Ernest Rutherford y Frederick Soddy, dataron varias rocas hasta 500 millones de años, la Tierra, entonces, al menos tendría que ser así de antigua (Más tarde, trabajando con isótopos de plomo se precisó esa antigüedad en unos 4,5 mil millones de años). Rutherford y Soddy no sólo crearon el concepto de datación radiactiva, sino que fue el pistoletazo de salida de nuestra moderna comprensión del cosmos y de su avanzada edad.

¿Qué hacer si uno quiere sondear el interior del sol? La respuesta es utilizar el argón, tal como hizo el físico Ray Davis. Se centró en los neutrinos solares (fantasmales partículas creadas por la fusión nuclear en el núcleo del Sol), como forma de probar los modelos de las reacciones nucleares en las estrellas. Los neutrinos revierten la desintegración natural de los isótopos radiactivos de argón-37 en cloro-37. De esta manera, en 1958, Davis instaló una tina enorme de líquido limpiador que contenía cloro-37, en lo profundo de una mina de Dakota del Sur, y utilizó un contador Geiger para detectar cualquier argón creado. Este trabajo pionero de Davis, reveló mucho acerca de no sólo el sol, sino también de la peculiar naturaleza de los neutrinos. Esto le valió el premio Nobel de Física 44 años más tarde.

El xenon, por su parte, nos puede hablar acerca de la formación del sistema solar. El xenon-129 es un isótopo producido por la desintegración radiactiva del yodo-129, que se crea en cantidades sólo en las supernovas y tiene una relativa corta vida media, en términos cosmológicos, de 16 millones de años. El descubrimiento de cantidades inesperadamente grandes de xenón-129 en los meteoritos fue la primera evidencia de que los cuerpos sólidos del sistema solar se formaron en un período de tiempo, sorprendentemente corto, de cien millones de años, después de que una supernova cercana nos sembrara con todo ese material. Los teóricos pensaban que eso nunca pudo suceder tan rápido.

A pesar de que los gases nobles son poco comunes en la Tierra, si miramos el universo en su conjunto no son tan raros. Los que nos viene a decir que, la atmósfera de la Tierra debió haberse formado después que el planeta mismo. Tal como se formó la Tierra, era demasiado pequeña para retener estos gases, que se alejaron en el cosmos. Los principales componentes de la atmósfera de hoy, el nitrógeno, oxígeno, agua y dióxido de carbono, pudieron atraparse en formas no volátiles. El agua quedó atrapada en los minerales hidratados, el dióxido de carbono en los carbonatos, y así sucesivamente. Sólo cuando la Tierra, y su atracción gravitatoria, fue creciendo, provocó que estos gases se liberaran a través de las erupciones volcánicas, y fueran creando la atmósfera.

Así que estos vestigios no revelaban mucho sobre la Tierra y su lugar en el universo. Sin embargo, el aspecto más fascinante de los gases nobles es la forma en que fueron descubiertos. Allá por la década de 1860, ya se habían descubierto más de 50 elementos, que a menudo se revelaban cuando eran sometidos a la acción de otros productos químicos, como el calor o incluso la electricidad. Ahora sabemos que los gases nobles son, en general, tercamente no reactivos, porque contienen una completa capa externa de electrones, y eso es un prerrequisito para la estabilidad. Pero volviendo a mediados de la época victoriana, el alejamiento de los gases nobles impidió su detección completa.

El primer indicio de su existencia apareció en 1868, como una tenue línea en el espectro de la luz del sol, indicando la presencia de un elemento desconocido en la Tierra. Se le dio el nombre de helio, por el dios griego del Sol. A la vez, aumentó la especulación acerca de esos elementos de las estrellas tan diferentes de los de la Tierra, pero unos años más tarde, se descubrió la misma línea cuando se calentaba un mineral llamado cleveíta, era el uranio, y desde entonces la Tierra y el Sol volvieron una vez más a estar unidos.

No pasó nada durante un tiempo, hasta que fue recogida una nueva pista desde una dirección diferente y con un fin distinto a la vista, cuando el físico británico John William Strutt, él mismo un noble, Lord Rayleigh, comenzó a preguntarse por qué los pesos atómicos de los elementos parecen casi múltiplos enteros del hidrógeno. ¿Por qué números enteros? Y aún más desconcertante, ¿por qué sólo "casi" números enteros?

Su actitud fue, si uno no entiende algo, lo mide. Se pasó 10 años haciendo mediciones precisas de las densidades de los gases, de aquellos cuyos pesos atómicos podía calcular, empezó con el hidrógeno, el oxígeno y después el nitrógeno. No hay razón para esperar un gran avance aquí, sólo era un experimento de rutina. Rayleigh hacía burbujear el aire con el de amoníaco líquido, NH3, luego lo pasaba a través de un tubo que contenía cobre al rojo vivo. Eso despojaba al aire de su oxígeno, lo que combinado con el hidrógeno del amoníaco, lo dejaba sólo en nitrógeno.

Sorpresa y disgusto

Rayleigh hizo lo que suele hacer un buen científico: llevó a cabo este experimento una y otra vez para comprobar los resultados. Luego lo repitió con una diferencia. Inicialmente, algo de su nitrógeno habría venido del amoníaco que utilizaba, así que se deshizo del amoníaco para que todo el nitrógeno viniera del aire. "Para mi sorpresa y disgusto, las densidades de los dos métodos diferían sólo en una milésima parte", escribió.

El nitrógeno del aire, era al parecer más pesado que el del amoníaco en un 0,1 por ciento. Yo lo había atribuido a un error experimental y siguí adelante. Pero como dijo Rayleigh: "Una buena regla del trabajo experimental es tratar de ampliar una discrepancia en cuanto aparezca, en lugar de seguir el instinto natural de tratar de conseguirlo abandonándolo."

Esto es precisamente lo que hizo, esta vez reemplazó el aire con el oxígeno, para que el nitrógeno recogido fuese sólo el del amoníaco, y halló que la discrepancia magnificó su efecto: ahora era del 0,5 por ciento. Algo real estaba sucediendo, pero ¿qué? Él escribió una carta a la revista Nature, pidiendo ayuda, donde empezó diciendo: "Estoy realmente desconcertado por algunos resultados recientes en cuanto a la densidad del nitrógeno, y me siento obligado a ver si alguno de sus lectores químicos puedan ofrecer sugerencias en cuanto a su causa."

Esta fue la primera sugerencia: El nitrógeno del aire no es más que nitrógeno, mientras que el nitrógeno del amoníaco se combina químicamente con el hidrógeno. Así pues, tenía nitrógeno en dos estados químicos diferentes que afectaron a sus pesos atómicos. Pero, ¿cómo?

No hubo respuesta. Mal comienzo. Había que empezar de nuevo.

Finalmente, después de otras propuestas que no condujeron a nada, vino la idea de que un gas más pesado podía ser mezclado con el nitrógeno del aire. Esto contradecía la navaja de Occam, que en términos coloquiales significa "sigue lo más simple". La invocación de una sustancia desconocida, un críptico gas más pesado que el nitrógeno, para explicar unos resultados guardaba los sospechosos matices de flogisto y el éter, inventar unas sustancias ilusorias de otros contextos que sirve de tapadera [fig-leaf] ante nuestra falta de entendimiento.

Pero hay un principio más sagrado en la ciencia: probar tus ideas, experimentar y observar. Así, en 1894, junto con William Ramsay, Rayleigh hizo pasar chispas eléctricas a través del aire amplificado con oxígeno puro para producir óxido de nitrógeno. Eliminó esto último por disolución en una solución alcalina débil. Y he aquí que, cuando todo el nitrógeno y el oxígeno se habían ido, quedó una pequeña cantidad de gas sin color, al que llamaron argón, que viene del griego antiguo para denominar la pereza, ya que el gas no reaccionaba con nada. Mostraba un patrón de líneas de emisión que nunca antes se había visto, así que no sólo era un componente previamente insospechado del aire, sino un elemento completamente nuevo.

Ramsay trasladó su investigación a los gases que emanaban de las rocas, por si lo que contenían, en vez de uranio era argón, pero en 1895 lo identificó como helio. Razonándolo desde su comprensión de la tabla periódica, entonces en sus inicios, sugirió que el helio y el argón podría representar una nueva familia de elementos. Llegó tan lejos como para predecir otro elemento, como una masa de 20, que descubrió prontamente y lo llamó neón. El kriptón y el xenón le siguieron varios años más tarde, y en 1904, ambos recibieron el Premio Nobel, Rayleigh en física y Ramsay en la química. Esta es la única vez que un elemento o una columna de elementos habían sido la base estos dos premios en el mismo año.

En 1910, Ramsay coleccionó todos los datos para caracterizar el radón. Este desagradable gas radiactivo ya antes detectado, aunque fue Ramsay quien propuso y demostró que era otro de los gases nobles.

El descubrimiento de los gases nobles es algo fascinante, porque se estructuraba toda la ciencia y enraizaba los descubrimientos. Rayleigh no estaban buscando un nuevo elemento, sino tratando de resolver el enigma del 'casi' de los pesos atómicos. En esto fracasó: la explicación esperada del descubrimiento de protones y neutrones. El descubrimiento del argón, que abrió la puerta a los gases nobles, fue casual, fruto de la combinación de una experimentación cuidadosa y una mente abierta, inquisitiva. Igual que muchos otros avances científicos importantes, no ocurrió a consecuencia de una planificación intencionada, sino en tanto se intentaba entender alguna otra cosa.

Por lo tanto, si uno quiere tener éxito en la ciencia, es mejor tener en cuenta los consejos que el astroquímico Michael Lipschutz, da a sus alumnos: "Obedeced el mandato: Buscad y hallaréis, pero no siempre encontraréis aquello que buscáis."

Anexo: El papel del kriptón y compañía

Pueden ser unos solitarios, pero los gases nobles tienen muchos usos. Basta pensar lo aburrido que sería el centro de las ciudades sin el rojo resplandor de las luces de neón o del blancoazulado del kriptón. Pero también juegan un papel más profundo. La superconductividad, por ejemplo, fue descubierta mientras se buscaban las temperaturas más frías de la Tierra, usando el helio líquido.

En la segunda guerra mundial, los aliados querían saber por dónde iban los intentos de Hitler por construir la bomba atómica. Por lo que añadieron una trampilla debajo de un bombardero y volaron sobre algunos sitios sospechosos de Alemania, buscando el xenón-133. Éste es un producto de fisión del uranio, que no reacciona con otra cosa y tiene una vida media de cinco días, tiempo justo para ser detectado. Un resultado positivo habría sido definitivo, pero el resultado negativo que obtuvieron significaba que estaban buscando en los sitios equivocados, o el experimento era defectuoso de alguna manera o, como demostró ser el caso, Hitler no tenía la bomba.

El xenon-133 también es valioso en la medicina. Se utiliza como marcador radiactivo para identificar embolismos pulmonares, y el gas xenón es un excelente anestésico, hoy día se utiliza en Rusia y Alemania.

  • Referencia: NewScientist.com, 25 de noviembre 2011 por David E. Fisher
  • Imagen 2) Estructura del Xenon. Wikipedia, autor: Benjah-bmm27
  • Imagen 3) Hoy en día se utiliza helio líquido para refrigerar los imanes superconductores en los escáneres de resonancia magnética. Wikipedia, autor: KasugaHuang
  • Autor: David Fisher, profesor emérito de geología y astroquímica en la Universidad de Miami, y el autor de "Much ado about (practically) nothing: A history of the noble gases" (Oxford University Press, 2010)

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