Gas nobili (gruppo 18): perché sono inerti e quando reagiscono

All’estremo destro della tavola, nel gruppo 18, ci sono i gas nobili: elio, neon, argo, kripton, xeno e radon. Sono il ritratto della stabilità chimica: incolori, inodori e così restii a reagire da essere stati a lungo chiamati «gas inerti». La ragione è una sola, ed è il fondamento di tutta la chimica del legame: hanno il guscio di valenza già completo.

Vediamo perché l’ottetto completo li rende inerti, perché questa inerzia è il modello di stabilità di tutti gli altri elementi, quali eccezioni esistono e a che cosa servono.

L’ottetto completo: perché sono inerti

I gas nobili hanno il guscio di valenza interamente riempito: otto elettroni (configurazione ns²np⁶), tranne l’elio che ne ha due ma con il suo unico guscio comunque completo.

Ne [He]2s²2p⁶ · Ar [Ne]3s²3p⁶ → ottetto completo ns²np⁶

Avere il guscio pieno significa non avere né elettroni «in più» da cedere facilmente né spazio per accoglierne altri con guadagno energetico: la configurazione è già quella a minima energia. Di conseguenza l’energia di ionizzazione è altissima e l’affinità elettronica trascurabile. Non c’è alcun vantaggio energetico nel formare legami, e per questo i gas nobili esistono come atomi singoli (sono gli unici elementi monoatomici allo stato gassoso) e in condizioni normali non reagiscono.

Il modello di stabilità di tutta la chimica

L’importanza dei gas nobili va ben oltre i loro usi: la loro configurazione è il riferimento che spiega il comportamento di tutti gli altri elementi. La regola dell’ottetto dice infatti che gli atomi tendono a guadagnare, perdere o condividere elettroni fino a raggiungere la configurazione stabile del gas nobile più vicino. È per questo che i metalli alcalini cedono un elettrone (per «diventare» come il gas nobile precedente), gli alogeni ne acquistano uno, gli alcalino-terrosi ne cedono due. In altre parole, tutta la logica dei legami ionici e covalenti è un inseguimento della stabilità che i gas nobili possiedono già di natura.

Le eccezioni: i composti di xeno e kripton

I gas nobili più pesanti, xeno e kripton, riescono a formare composti in condizioni opportune. Il motivo è che, avendo gusci più grandi, trattengono i loro elettroni esterni con meno forza (energia di ionizzazione più bassa) e possono cederli a partner estremamente elettronegativi. Il caso simbolo è il tetrafluoruro di xeno:

Xe(g) + 2 F₂(g) → XeF₄(s)  (a forte riscaldamento)

Esistono diversi fluoruri di xeno (XeF₂, XeF₄, XeF₆) e ossidi, oltre a qualche composto di kripton. Sono però molecole instabili e reattive, ottenibili solo in condizioni spinte: confermano che la regola generale resta la quasi totale inerzia del gruppo. Elio, neon e argo, con gusci più piccoli e ben legati, non formano praticamente alcun composto stabile.

A che cosa servono

Proprio l’inerzia rende i gas nobili preziosi ovunque serva un’atmosfera che non reagisca. L’argo, abbondante ed economico, protegge le saldature e riempie le lampade a incandescenza per non far bruciare il filamento. L’elio, leggerissimo e non infiammabile, gonfia palloni e dirigibili, raffredda i magneti superconduttori della risonanza magnetica e viene usato nelle miscele per immersioni profonde. Il neon, l’argo e il kripton danno luce colorata nelle insegne e nei tubi a scarica. Lo xeno serve in fari ad alta intensità e come anestetico. In tutti i casi è la mancanza di reattività, non una reazione, a renderli utili.

I gas nobili a confronto

La tabella riassume la configurazione e gli usi principali dei gas nobili, dal più leggero al più pesante stabile:

La capacità di formare composti compare solo in fondo al gruppo, dove l’energia di ionizzazione è più bassa: un’altra conferma della logica periodica.

Domande frequenti

Quali sono i gas nobili?

Sono gli elementi del gruppo 18 della tavola periodica: elio, neon, argo, kripton, xeno e radon. Hanno il guscio di valenza completo (ottetto, tranne l’elio che ha due elettroni nel suo unico guscio pieno) e per questo sono chimicamente molto poco reattivi, incolori e inodori.

Perché i gas nobili sono inerti?

Perché hanno il guscio di valenza già completo: la configurazione è già quella a minima energia. Non c’è convenienza energetica né a cedere elettroni (energia di ionizzazione altissima) né ad acquistarne (affinità elettronica trascurabile), quindi in condizioni normali non formano legami e restano atomi singoli.

Che cos’è la regola dell’ottetto e che legame ha con i gas nobili?

È la regola secondo cui gli atomi tendono a raggiungere otto elettroni nel guscio di valenza, cioè la configurazione stabile del gas nobile più vicino. I gas nobili la possiedono già di natura; tutti gli altri elementi formano legami ionici o covalenti proprio per avvicinarsi a quella stabilità.

I gas nobili possono formare composti?

Sì, ma solo i più pesanti (xeno e kripton) e in condizioni particolari, con elementi molto elettronegativi come fluoro e ossigeno. Il primo composto, un fluoruro di xeno, fu ottenuto nel 1962. Elio, neon e argo, con gusci piccoli e ben legati, non formano praticamente alcun composto stabile.

A che cosa servono i gas nobili?

Soprattutto come atmosfere inerti e per le loro proprietà fisiche: l’argo protegge saldature e lampade, l’elio gonfia palloni e raffredda i magneti della risonanza magnetica, il neon illumina le insegne, lo xeno serve in fari e anestesia. È la loro scarsa reattività, non una reazione chimica, a renderli utili.