Einleitung: Was sind Edelgase?
Die Edelgase bilden eine eigenständige Gruppe im Periodensystem der Elemente. Sie werden der 8. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente zugeschrieben, oder nach neuerer Einteilung der Gruppennummer 18. Edelgase weisen relativ einheitliche Eigenschaften auf und sind einatomige und sehr reaktionsträge.
Alle Edelgase besitzen vollständig gefüllte Außenschalen für Elektronen (Valenzschale). Bis auf das Edelgas Helium, das 2 Außenelektronen auf seiner Außenschale hat, besitzen alle anderen Edelgase 8 Außenelektronen. Dies ist der Grund für die in der Chemie bekannte Reaktionsträgheit der Edelgase. Alle Elemente streben einen Zustand an, in dem die Außenschale komplett mit Elektronen gefüllt ist. Da dies bei den Edelgasen bereits als Grundzustand vorliegt, kommen die Edelgase im gasförmigen Normzustand atomar und nicht molekular vor.
Der Name "Edelgas" leitet sich von der Ähnlichkeit zu Edelmetallen ab, die ebenfalls unter normalen Bedingungen chemisch sehr inert sind. Edelgase sind nicht reaktionsfreudig, da ihre äußerste Elektronenschale voll besetzt ist, was sie chemisch stabil macht. Sie reagieren so gut wie nicht, weil ihre äußerste Elektronenschale voll besetzt ist. Edelgase sind reaktionsträge, weil sie eine vollständige Elektronenschale besitzen.
Die Elemente der Edelgasgruppe
Die Edelgase umfassen die Elemente:
- Helium (He)
- Neon (Ne)
- Argon (Ar)
- Krypton (Kr)
- Xenon (Xe)
- Radon (Rn)
- und das künstlich erzeugte Oganesson (Og)
Alle sieben Edelgase haben ähnliche Eigenschaften: Sie sind bei Raumtemperatur gasförmig und kommen als Atome und nicht als Moleküle vor. Das liegt daran, dass sie sehr reaktionsträge sind und sich daher kaum mit anderen chemischen Elementen verbinden.
Eigenschaften der Edelgase
Elektronenkonfiguration und Reaktivität
Das einheitliche Hauptmerkmal sämtlicher Edelgasatome ist, dass sie für die energetisch höchsten Atomorbitale die Elektronenkonfiguration s² (Helium) bzw. s²p⁶ aufweisen (Edelgaskonfiguration). Es gibt nur vollständig gefüllte Atomorbitale, die dazu führen, dass Edelgase nur unter extremen Bedingungen chemische Reaktionen eingehen. Sie bilden auch miteinander keine Moleküle, sondern sind einatomig und bei Raumtemperatur Gase.
Die vollständige Besetzung ihrer äußersten Elektronenschale macht sie extrem stabil und inert gegenüber den meisten chemischen Reaktionen. Sie sind geruchlos, farblos und geschmacklos und kommen in der Natur häufig als einzelne Atome, also als monoatomare Gase, vor.
Physikalische Eigenschaften
Die Schmelz- und Siedepunkte der Edelgase sind insgesamt sehr niedrig. Sie steigen jedoch innerhalb der 8. Hauptgruppe von oben nach unten an.
Helium weist eine Besonderheit auf: Selbst wenn es bis fast zum absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, ist es immer noch flüssig. Helium ist damit das einzige Element, das unter Atmosphärendruck nicht erstarrt. Es geht bei 2,17 K in einen speziellen Aggregatzustand, die Suprafluidität, über. In diesem Zustand fließt es absolut reibungsfrei und kann über höhere Gefäßwände kriechen (Onnes-Effekt).
Die Dichte steigt ebenfalls innerhalb der 8. Hauptgruppe von oben nach unten mit zunehmender Atommasse an. Helium und Neon besitzen eine geringere Dichte als Luft.
Ionisierungsenergie
Ein weiteres markantes Merkmal von Edelgasen ist ihre hohe Ionisierungsenergie. Dies ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus seinem atomaren Orbital zu entfernen. Aufgrund der vollständig gefüllten Valenzschale benötigen Edelgase eine deutlich höhere Energie, um eines ihrer Elektronen zu ionisieren, als andere Elemente. Dies spiegelt ihre Stabilität und geringe Neigung zur chemischen Bindungsbildung wider.
Die erste Ionisierungsenergie der Edelgase sinkt von oben nach unten in der Gruppe:
| Edelgas | Erste Ionisierungsenergie (kJ/mol) |
|---|---|
| Helium (He) | 2372.3 |
| Neon (Ne) | 2080.7 |
| Argon (Ar) | 1520.6 |
| Krypton (Kr) | 1350.8 |
| Xenon (Xe) | 1170.4 |
| Radon (Rn) | 1037 |
Trotz der generell hohen Ionisierungsenergien ist das Edelgas Xenon am reaktivsten.
Vorkommen von Edelgasen
Edelgase kommen überwiegend in der Erdatmosphäre vor. In sehr geringen Mengen sind einige Edelgase aber auch in der Erdkruste zu finden.
Argon ist das am häufigsten vorkommende Edelgas in der Luft (knapp unter 1%). Es entsteht bei radioaktiven Zerfallsprozessen, zum Beispiel aus Kalium-40 zu Argon-40.
Helium ist das am häufigsten vorkommende Edelgas im gesamten Universum. Auf der Erde kommt es in geringen Mengen in der Luft vor und entsteht durch radioaktive Alphazerfälle in der Erdkruste. Industriell wird Helium meist aus natürlichen Erdgasquellen gewonnen, wo es in gelöster Form vorliegt. Diese Quellen befinden sich unter anderem in den USA, Kanada, Polen, Russland, Algerien und Katar. Bis zu 7% Helium können sich im Erdgas befinden.
Neon entsteht durch den fusionierenden Prozess in der Sonne und fliegt als Solarneon zur Erde.
Das radioaktive Edelgas Radon findet sich im Gestein des Erdreichs, wo es durch Zerfall von z.B. Uran und Thorium freigesetzt wird. Es ist das schwerste elementare Gas in der Erdatmosphäre und das seltenste Gas überhaupt.
Überwiegend werden Edelgase aus der Luft gewonnen, insbesondere in Luftzerlegungsanlagen und Verflüssigungsanlagen. Die Gewinnung von Helium kann auch anderweitig aus Erdgas erfolgen.
Verwendung von Edelgasen
Edelgase spielen eine vielfältige und oft überraschende Rolle in wissenschaftlichen, industriellen, medizinischen und alltäglichen Kontexten. Ihre einzigartigen Eigenschaften ermöglichen ihren Einsatz in Situationen, in denen andere Elemente versagen könnten.
Helium und Neon
Helium (He) hat aufgrund seines extrem niedrigen Siedepunkts die wichtigste Anwendung als Kühlmittel in der Tieftemperaturforschung und Kryotechnik. Es wird ferner als Schutzgas in der Metallurgie und Schweißtechnik verwendet und findet Anwendung in Druckluftgeräten, wie zum Beispiel beim Tauchen, um die Bildung von Stickstoffblasen im Körper zu vermeiden.
Neon (Ne) ist am bekanntesten für seine Anwendung in der Leuchtreklame, wo es ein charakteristisches oranges Leuchten erzeugt, wenn elektrische Spannung durch ein mit Neon gefülltes Rohr geleitet wird. Darüber hinaus wird Neon auch in Vakuumröhren und als Kältemittel eingesetzt.
Argon
Argon (Ar) ist das am häufigsten vorkommende Edelgas in der Luft und wird in großen Mengen als Schutzgas bei bestimmten Schweißvorgängen verwendet. Es verhindert den Zutritt von Luft, wenn luftempfindliche Metalle geschmolzen oder verschweißt werden, und schützt so vor Oxid- und Nitridbildung oder Selbstentzündung.
Argon wird auch zur Füllung von Glühlampen und in Lampen verwendet.
Krypton und Xenon
Krypton (Kr) wird in Glühlampen und Lasern eingesetzt. Es wird auch als Lampen-Füllgas verwendet und reichert sich als Spurengas in der Atmosphäre an.
Xenon (Xe) findet Anwendung in Lampen und als Narkosemittel. Aufgrund seiner hohen Atommasse, leichten Lager- und Förderfähigkeit sowie Ungiftigkeit wird Xenon als Antriebsmedium in Ionenantrieben in der Raumfahrt verwendet. Das Spektrum einer Xenon-Gasentladungslampe ähnelt dem Tageslicht und wird daher in Autoscheinwerfern als "Xenonlicht" eingesetzt.
Radon
Radon (Rn) wird in der Strahlentherapie eingesetzt. Aufgrund seiner Radioaktivität und kurzen Halbwertszeit ist es jedoch in geringen Mengen von Bedeutung.
Edelgasverbindungen
Edelgasverbindungen sind bisher nur von Krypton, Xenon und Radon bekannt. An Verbindungen mit Argon und Neon wird geforscht.
Die ersten Edelgasverbindungen, insbesondere Xenonfluoride, wurden 1962 durch den Chemiker Neil Bartlett hergestellt. Dies war möglich, da Xenon und Sauerstoff ähnliche Ionisierungsenergien aufweisen.
Alle Edelgasverbindungen sind sehr starke Oxidationsmittel, die zum Zerfall in die Elemente neigen. Sehr viele dieser Verbindungen sind instabil.
Krypton(II)-fluorid (KrF₂) kann unter niedrigen Temperaturen und elektrischer Entladung auf ein Kr/F₂-Gemisch entstehen und dient als Grundlage für weitere Kryptonverbindungen. Es wird wie Xenonfluorid XeF₂ als Oxidationsmittel verwendet.
Die Edelgase Argon, Krypton und Xenon können zudem Einschlussverbindungen bilden, sogenannte Clathrate. Hierbei werden Edelgasatome von einem Feststoff eingeschlossen und nur schwach gebunden, was nicht als echte Edelgasverbindung gilt.
Die Position der Edelgase im Periodensystem
Im Periodensystem der Elemente nehmen die Edelgase eine besondere Stellung ein. Sie bilden die 18. Gruppe (oder VIII. Hauptgruppe) und sind damit die am weitesten rechts positionierte Gruppe. Dies liegt daran, dass sie die höchste Elektronenkonfiguration in ihrer Periode aufweisen, was bedeutet, dass ihre äußerste Elektronenschale voll besetzt ist.
| Periode | Edelgas |
|---|---|
| 1 | Helium (He) |
| 2 | Neon (Ne) |
| 3 | Argon (Ar) |
| 4 | Krypton (Kr) |
| 5 | Xenon (Xe) |
| 6 | Radon (Rn) |
Jede Periode im Periodensystem endet mit einem Edelgas, was ihre Atomstruktur repräsentiert - eine voll besetzte äußere Elektronenschale. Dies ist der Grund für ihre geringe Reaktivität und führt dazu, dass sie nur sehr wenige stabile Verbindungen bilden.