Edelgase

Edelgase

Die sechs chemischen Elemente Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe) und Radon (Rn) bilden eine Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Sie sind alle gasförmig und heißen Edelgase, weil sie wie die Edelmetalle chemisch sehr reaktionsträge sind. Henry Cavendish (10.10.1731-24.02.1810) isolierte 1785 das erste Edelgas, indem er aus einem abgeschlossenen Luftvolumen mit Hilfe chemischer Reaktionen sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff entfernte. Zwar bestimmte er den relativen Volumenanteil des Restgases sehr genau, doch erkannte er es nicht als neues Element. Erst als es mit Hilfe neuer Kühltechniken gelang, Luft zu verflüssigen, isolierten und identifizierten William Ramsay (02.10.1852–23.07.1916) und John Rayleigh (12.11.1842–30.06.1919) ab 1894 die einzelnen Edelgase. Ernest Rutherford (30.09.1871–19.10.1937) und Frederick Soddy (02.09.1877–22.09.1956) fanden 1900 bei ihren Untersuchungen über instabile Atome das radioaktive Edelgas Radon. Die Elektronenkonfiguration der Edelgase zeichnet sich durch abgeschlossene Außenschalen aus; sie erzeugen eine kugelsymmetrische Ladungsverteilung der Atome. Die vergleichsweise hohen Ionisierungsenergien führen zu außerordentlicher chemischer Stabilität. Wechselwirkungen untereinander beruhen in erster Linie auf Van-der-Waals-Kräften.

Eigenschaften

Die Edelgase sind stabil, farb-, geschmack- und geruchlos; sie lösen sich relativ gut in Wasser (z.B. 33,6 cm3 Ar in 1 l H2O). Chemisch sind sie kaum unterscheidbar, sie werden mit Hilfe physikalischer Methoden identifiziert. Ihre Oxidationszahl ist 0. Die Schmelzpunkte der Edelgase liegen durchweg bei sehr niedrigen Temperaturen. Mit Ausnahme von Helium kristallisieren alle in dichten kubischen Gittern. 1962 gelang es N. Bartlett erstmalig, die chemische Verbindung eines Edelgases zu synthetisieren: XePtF6 . Inzwischen sind chemische Verbindungen von Kr, Xe und Rn mit F, Cl, O und N bekannt. Die Edelgashalogenide werden seither routinemäßig aus den Elementen bei gleichzeitiger Anregung durch Erhitzen oder Bestrahlen hergestellt. Edelgashydrate sind Einschlussverbindungen (Clathrate), also keine chemischen Verbindungen.

Beispiel

Gefriert ein Gemisch von Wasser und Edelgasen, so bildet sich eine kubische Eisstruktur mit Hohlräumen, in denen Edelgasatome durch Van-der-Waals-Kräfte eingeschlossen sind. Die Grundbausteine dieser physikalischen Verbindungen bestehen aus 8 Edelgasatomen in einem Käfig, gebildet aus 46 H2O-Molekülen.

Vorkommen

He ist nach H das zweithäufigste Element im Universum. Es ist das stabile Endprodukt der Kernfusion, der Energiequelle von Sonne und Sternen. Der Bethe-Weizsäcker-Zyklus beschreibt diesen

Vorgang

Vier Wasserstoffkerne verschmelzen zu einem Heliumkern:

4 H → He + 2 e+ + Energie

Je Mol werden dabei 2,6 • 10^9 kJ freigesetzt. Die Erdatmosphäre enthält rund 1 % Edelgase, vorwiegend Argon. Da sich die schweren Edelgase im Wasser besser lösen als die leichten, ist der Anteil von Kr und Xe über Gewässern und feuchten Böden relativ erhöht. Die sehr leichten Edelgase He und Ne sind in den atmosphärischen Schichten oberhalb 60 km angereichert. He entweicht ständig ins Weltall, wird jedoch durch Zufuhr aus dem Sonnenwind und aus interplanetarischem Staub (Haften von He an Stauboberflächen) wieder ergänzt. Erdgase enthalten unterschiedliche Mengen von Edelgasen, bis zu 16% in amerikanischen Heliumquellen. Das He stammt aus tiefliegenden thorium- und uranhaltigen Gesteinen, über denen poröse Schichten das beim radioaktiven Zerfall freiwerdende He speichern. Diese Formationen sind ihrerseits durch gasdichte Schichten nach oben abgeschlossen. Teilweise enthalten auch Thermalquellen (z.B. in Wiesbaden und in Wildbad) Edelgase, in erster Linie He, Ne und Rn. Außerdem fallen Edelgase als Nebenprodukte bei der Wiederaufbereitung von Kernreaktorbrennstoffen an, insbesondere größere Mengen von [85Kr] Krypton', das bei der Spaltung von [239 Pu] Plutonium und [235U] Uran entsteht.

Gewinnung

Durch stufenweises Abkühlen von Luft (fraktionierte Luftverflüssigung) werden die einzelnen Edelgase, vor allem aber Ar, großtechnisch gewonnen. Xe tritt dabei zuerst in die flüssige Phase (bei —108°C) über, unterhalb —246°C ist nur noch He gasförmig. Als Ausgangssubstanzen für die partielle Kondensation werden wegen der höheren Ausbeuten auch die Restgase aus großchemischen Prozessen (z. B. aus der Ammoniaksynthese) verwertet. Die Edelgasbestandteile der Luft und des Erdgases reichern sich im Synthesegas an, da sie während der Prozesse nicht entfernt werden. Aus dem Purgegas werden sie laufend abgezogen. Erdgasquellen dienen praktisch nur der Heliumgewinnung. Das außerordentlich seltene und stabile Heliumisotop [3He] Helium wird mit Hilfe der Kernreaktionen 6Li(n,α)3H und 3Hβ-→3He kommerziell hergestellt. Großtechnisch kann die Abtrennung der Edelgase aus der Luft z. B. in einer Niederdruck-Sauerstoffanlage erfolgen: Luft wird auf rund 6 bar verdichtet, von Wasser, C02 und Kohlenwasserstoffen gereinigt und im Gegenstromverfahren bis auf etwa die Kondensationstemperatur von N2 und 02 abgekühlt. He und Ne reichern sich in der Gasphase an. Das Gasgemisch tritt dann in den Doppelsäulen-Bereich (Mitteldruck- und Niederdruck-Kolonne) ein. Am Kopf des Kondensators wird das He-SpüIgas abgezogen und in einer nachgeschalteten Kolonne von Stickstoff befreit. Von der Niederdruck-KoIonne wird das Ar-Zwischengas in eine NebenkoIonne geleitet, aus der Rohargon (ca. 95% rein) abgezogen wird. Kr und Xe sammeln sich im Sauerstoffbad des Kondensators. Nach Reinigung und Abtrennen des Sauerstoffs wird das Kr-Xe-Konzentrat der Nebenkolonne entnommen. Zur Gewinnung im Labor wird trockene und C02 freie Luft über glühendes Cu geleitet, das mit Hilfe der Reaktion 2 Cu + 02 → 2 CuO den Sauerstoff entfernt. Anschließend bindet man den Stickstoff durch Erhitzen mit Magnesium: 3 Mg + N2 → Mg3N2 . Das Restgas besteht zu 99,8% aus Ar und heißt Rohargon.

Verwendung

Leuchtgase in Gasentladungsröhren für farbige Lichtreklame. (Ne: rot; He: elfenbeinfar- ben; Ar: blau-rot; Kr: grün-blau; Xe: violett). Glühlampen enthalten die schweren Edelgase Kr und Xe als Füllgas. Ihr Gasdruck behindert die Thermodiffusion der Metallatome aus dem Glühfaden und steigert so die Lebensdauer der Glühbirne. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Füllgase steigt bei gleicher elektrischer Leistung die Temperatur des Glühfadens und damit die Lichtausbeute. Ar dient in großen Mengen (in Deutschland jährlich 25 Millionen m3) als Schutzgas beim Schneiden und Schweißen. Eine Argonatmosphäre bei der Metallbearbeitung verhindert die Entstehung unerwünschter Nitride und Oxide. Außerdem wird beim Lichtbogenschweißen von Leichtmetallen unter Edelgasatmosphäre kein Flussmittel benötigt. Titan und Molybdän lassen sich nur in einer Edelgasatmosphäre verschweißen. Geringe Mengen Edelgas (vor allem He) werden für die Füllung meteorologischer Ballons und in Gasthermometern verbraucht. Als Inertgas in Atemgasgemischen spielt He beim Tieftauchen eine Rolle. He ist weiterhin wichtiges Kühlmittel in der Tiefsttemperaturtechnik. Bei der Temperatur des flüssigen Heliums werden Metalle supraleitend. Extrem hohe Magnetfelder für die Anwendung in Kernphysik und Kernfusion werden so ermöglicht. Der Transport der Edelgase erfolgt in Stahlflaschen bis zu 50 l Inhalt unter 200 bar Druck. Für die teuren Gase (Kr, Xe, Ne) gibt es Behälter mit geringerem Volumen. Kleine Mengen transportiert man auch drucklos in Glaskolben oder Plastiktüten. Ar und He werden in doppelt isolierten Spezialbehältern verschifft.

Quelle

• dtv-Atlas Chemie Band 1, Seite 70, ISBN 3-423-03217-0