Edelgase

Aufbau der Elektronenhülle

Die Edelgase bilden die VIII. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Sie haben mit 2 (He), 8 (Ne, Ar) oder 18 (Kr, Xe) Außenelektronen eine vollständig gefüllte äußere Elektronenschale, die einen außerordentlich stabilen Zustand darstellt.

Edelgase können daher nur schwer ein Elektron aufnehmen oder ein Elektron an einen Reaktionspartner abgeben. Deswegen besitzen Edelgase von allen Elementen die höchsten Ionisierungsenergien, das heißt es muss ein enormer Energieaufwand betrieben werden, um auch nur ein Elektron aus der äußeren Schale herauszutrennen. Ein Elektron aufzunehmen oder abzugeben wäre jedoch für die Bildung einer chemischen Bindung Voraussetzung. Da sie im Allgemeinen nicht mit anderen Substanzen reagieren, erhielten sie ihren „eleganten“ Namen: „the noble gases“ – Edelgase. Ist eine Elektronenschale voll besetzt, spricht man deshalb auch vom stabilen „ Edelgaszustand “ bzw. der „Edelgaskonfiguration“.

Da die Elemente der VIII. Hauptgruppe bereits über eine vollständig besetzte Valenzschale verfügen, bilden sie keine Moleküle und kommen unter Normalbedingungen als einatomige Gase vor. Alle anderen Elemente streben danach, den Edelgaszustand zu erreichen und gehen deshalb Verbindungen (NaCl) ein oder bilden Moleküle (Sauerstoff, Stickstoff).

Eigenschaften der Edelgase

Zu den Edelgasen gehören die Elemente Helium , Neon , Argon , Krypton , Xenon und Radon . Aufgrund der vollständig besetzten äußeren Elektronenschale sind die Elemente chemisch sehr reaktionsträge („inert“). Bei Raumtemperatur sind sie gasförmig, denn sie besitzen durchweg sehr niedrige Siedepunkte. Helium hat von allen Elementen den tiefsten Siedepunkt überhaupt, es wird erst bei ca. 4 K flüssig, das entspricht -269 °C.

Edelgase sind weder brennbar noch entflammbar und sie reagieren unter Normalbedingungen mit keinem chemischen Element oder keiner chemischen Verbindung. Mit Ausnahme von Radon, das ein radioaktives Element ist, sind die Edelgase für den Menschen ungefährlich. Sie sind farblose und geruchlose Gase.

Nur unter besonderen Bedingungen können die Edelgase Xenon, Krypton und Radon mit reaktiven Elementen, wie Fluor, Chlor oder Sauerstoff, Verbindungen eingehen. Im Jahr 1962 wurde durch Umsetzung von Xenon mit Platinhexafluorid die Verbindung Xe⁺PtF₆ ^- als erste Edelgasverbindung hergestellt. Kurze Zeit später gelang die Darstellung der Xenonfluoride XeF₂ und XeF₄.

Wird z. B. Xenon mit Fluorgas gemischt und dieses Gemisch mit energiereichem Licht bestrahlt, so werden aus $F_2$ Fluoratome erzeugt. Diese Atome sind so aggressiv, dass sie sogar dem Xenonatom ein Elektron entreißen. So können nacheinander verschiedene Xenonfluoride hergestellt werden.

$\begin{array}{l}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}{F}_2\stackrel{}{\to }2F\\ \begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}Xe+2F\stackrel{}{\to }Xe{F}_2\\ Xe{F}_2+2F\stackrel{}{\to }Xe{F}_4\\ Xe{F}_4+2F\stackrel{}{\to }Xe{F}_6\end{array}$

Heute sind weitere Verbindungen , wie XeO₂F₂, XeO₄, Ba₂XeO₆, CsXeF₇, XeCl₂, aber auch Verbindungen mit Xenon-Stickstoff-Bindungen oder Xenon-Kohlenstoff-Bindungen bekannt. Auch von anderen Edelgasen gibt es Verbindungen wie KrF₂ oder RnF₂ und immer mehr werden entdeckt. Alle Xenonverbindungen sind starke Oxidationsmittel. Viele Verbindungen sind relativ instabil und zerfallen rasch wieder. Andere kann man durchaus isolieren. Bis jetzt ist es noch nicht gelungen mit den Edelgasen Helium und Neon Reaktionen durchzuführen.

Vorkommen

Edelgase kommen in der Atmosphäre unserer Erde in geringen Mengen vor. Sie werden durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gewonnen. Man kann auch Stickstoff und Sauerstoff chemisch entfernen, indem man Luft über erhitztes Magnesium leitet.

2 Mg   +   O₂   –→   2  MgO

3 Mg   +   N₂   –→   Mg₃N₂

Bereits CAVENDISH stellte fest, dass außer den Gasen Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid noch andere Substanzen in der Luft vorhanden sein mussten.

Helium ist außer in der Luft auch in Erdgasen enthalten. Ein Teil des Heliums auf der Erde entsteht beim Zerfall radioaktiver Elemente und ist in Gesteinsformationen eingeschlossen.

Verwendung

Die wichtigste Verwendung für verschiedene Edelgase, wie Krypton, Argon und Xenon, ist der Einsatz als Schutzgas. Überall, wo man eine Reaktion verschiedener chemischer Substanzen, z. B. mit Luftsauerstoff, vermeiden möchte, füllt man die Apparaturen mit Edelgasen.

In Glühbirnen befindet sich ein Vakuum, sie sind luftleer. Würde sich in einer Glühlampe Sauerstoff befinden, so würde der Glühfaden in kürzester Zeit verbrennen. Halogenlampen dagegen enthalten z. B. Krypton, das den Glühfaden vor chemischen Reaktionen schützt. In den verschiedenen Leuchtstoffröhren, die man von den Leuchtreklameschildern kennt, sind Edelgase eingefüllt. An beiden Enden der Röhre sind Elektroden angebracht, an die Hochspannung angelegt wird. Diese Hochspannung kann aus den einzelnen Edelgasatomen Elektronen aus der äußeren Schale herausschlagen. Die Elektronen springen jedoch rasch zurück und geben dabei die aufgenommene Energie wieder ab. Dabei fängt das Edelgas an zu leuchten. So erhält man von mit Helium gefüllten Röhren gelbes Licht, während Neon und Argon rot, Krypton grün und Xenon violett zu leuchten beginnen.

Hochdruck-Xenonlampen werden durch einen Hochspannungslichtbogen betrieben und strahlen ein intensives weißes Licht aus. Diese Lampen werden für Flutlichter und Strahler zum Beispiel in Fußballstadien, auf Leuchttürmen oder auf dem Flughafen eingesetzt.

Beim Schweißen mit Lichtbögen wird Argon als Schutzgas eingesetzt. Helium wird zum Füllen von Wetterballons und Luftballons verwendet. Da es leichter als Luft ist, steigt es nach oben. In der Analytischen Chemie dient Helium unter anderem als Trägergas bei der Gaschromatografie.

Helium wird außerdem zusammen mit Sauerstoff gemischt als Spezialgas für Tiefseetaucher verwendet. Befindet sich der Taucher in großer Tiefe, so lastet auf seinem Körper ein enormer Druck. Würde normale Luft, also ein Sauerstoff /Stickstoffgemisch, verwendet werden, so würde sich der Stickstoff unter dem hohem Druck im Blut lösen. Steigt der Taucher dann wieder auf, so verringert sich der Druck, und der Stickstoff würde im Blut Blasen bilden (in etwa so, als würde man eine Mineralwasserflasche schnell aufdrehen). Dabei wird das im Wasser gelöste Kohlenstoffdioxidgas schlagartig freigesetzt. Dieses Phänomen bezeichnet man als „Taucherkrankheit“. So muss der Taucher darauf achten, langsam aufzutauchen oder aber er verwendet das Sauerstoff/ Helium Gemisch, da sich Helium nicht im Blut löst.

Schallwellen breiten sich im reinen Helium schneller aus als in normaler Luft. So ist es zu erklären, dass man mit einer „Mickey Mouse“-Stimme redet, wenn man Helium eingeatmet hat. In der Medizin lässt man Patienten manchmal Xenon-Gas einatmen, um dann mit einer speziellen Röntgentechnik ein dreidimensionales Bild von der Lunge zu erhalten.

Helium hat ungewöhnliche physikalische Eigenschaften, es ist beispielsweise in der Lage, durch Glas zu diffundieren.