Edelgasgewinnung
Edelgase spielen in der heutigen Zeit eine immer größere Rolle. Sie werden zum Beispiel als Schutzgase (Argon), zur Füllung von Ballonen (Helium), als Kühlmittel (Helium) und für Leuchtmittel z. B. in Entladungsröhren (Neon) oder in Glühlampen (Argon und Xenon) benötigt. Das am meisten angewendete Verfahren zur industriellen Gewinnung von Edelgasen ist das 1895 entwickelte und 1905 in die Praxis eingeführte Lindeverfahren. Dabei werden die Edelgas durch Verflüssigung der Luft und anschließende fraktionierte Destillation der verflüssigten Luft gewonnen.
Eigenschaften und Verwendung
Die Elemente der 8. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente sind die Edelgase. Da die Ionisierungsenergie , die Energie, die benötigt wird Atome bzw. Moleküle in Ionen zu verwandeln, bei den Edelgasen sehr hoch ist, sind diese Elemente chemisch sehr stabil und reaktionsträge. Das kommt daher, weil diese Elemente bereits über abgeschlossene äußere Energieniveaus (Schalen) mit 2 bzw. 8 Valenzelektronen verfügen.
Helium: 1 s; Neon, Argon, Xenon, Krypton, Radon: nsnp ( n = 2, 3, 4, 5, 6).
Die bis 1962 verbreitet vertretene Meinung, dass Edelgase gar keine Verbindungen bilden, ist widerlegt worden. Besonders Verbindungen mit Krypton und Xenon (z. b. XeF, XeO, KrF) konnten in den letzten Jahrzehnten hergestellt werden. Die Edelgase kommen nur in geringen Mengen in der Luft vor. Deshalb sind spezielle Verfahren zur Gewinnung dieser Gase erforderlich.
Gehalt an Edelgasen in 1 000 Litern Luft unter Normalbedingungen:
| Argon | 9320 ml |
| Neon | 15 ml |
| Helium | 5 ml |
| Krypton | 1 ml |
| Xenon | 0,08 ml |
Gewinnung von Edelgasen
Helium, das in der Luft nur zu 510 Vol-% enthalten ist, wird aus Erdgasen gewonnen, die bis zu 8 Vol-% des Gases enthalten können.
Ein Verfahren zur Gewinnung von Edelgasen beruht auf dem unterschiedlichen Reaktionsvermögen der Luftbestandteile. Der Sauerstoff der Luft kann z. B. durch glühendes Kupfer gebunden werden, wobei sich Kupfer(II)-oxid bildet.
Der Stickstoff der Luft kann durch Erhitzen z. B. mit Calcium gebunden werden. In verschiedenen Industrieabgasen sind die Edelgase deutlich angereichert, so dass diese daraus vorteilhaft gewonnen werden können.
Luftverflüssigung
Edelgase werden hauptsächlich durch Luftverflüssigung und anschließende Luftzerlegung, durch fraktionierte Destillation der verflüssigten Luft, gewonnen. Der deutsche Ingenieur CARL VON LINDE (1842-1934) entwickelte um 1895 das zwar energieaufwändige aber effektive Verfahren der Luftverflüssigung. Bei diesem Verfahren wird der von JAMES PRESCOTT JOULE (1818-1889) und WILLIAM THOMSON (Lord Kelvin) (1824-1907) entdeckte Effekt ausgenutzt, nach dem sich die meisten Gase bei der Expansion abkühlen, da dabei eine Arbeit geleistet werden muss, um die schwachen Wechselwirkungskräfte zu überwinden. Wird komprimierte Luft über eine sogenannte Drossel entspannt, so kühlt sie sich entsprechend dieses Joule-Thomson-Effektes ab. Das Lindeverfahren findet in einem geschlossenen Kreislauf statt, der aus Kompressor, Kühler, Gegenstrom-kühler und Auffangbehälter für flüssige Luft besteht.
Ablauf des Verfahrens
Die durch ein Ventil in den Kreislauf einströmende Luft wird im Kompressor verdichtet. Dabei erhöht sich die Temperatur der Luft. Die nun verdichtete, warme Luft durchströmt den Kühler und wird abgekühlt.
Im anschließenden Gegenstromkühler sinkt die Temperatur noch weiter. Von diesem Kühler strömt die Luft in den Auffangbehälter. Da dieser Behälter ein größeres Volumen als das davor liegende Rohrsystem besitzt, expandiert die Luft (dekomprimiert).
Dadurch sinkt die Temperatur weiter (Joule Thompson Effekt). Um die Luft jedoch so weit abzukühlen, dass sie kondensiert, muss das Gasgemisch erneut komprimiert, abgekühlt und wieder dekomprimiert werden.
Der ganze Vorgang wiederholt sich solange, bis die Temperatur den Punkt erreicht hat, an dem die Luft sich verflüssigt.
Dieser Kondensationspunkt verschiebt sich je nach Zusammensetzung der Luft, da die unterschiedlichen Bestandteile unterschiedliche Kondensations- bzw. Siedepunkte aufweisen.
Die nun flüssige Luft besteht jedoch immer noch aus allen Bestandteilen (u.a. Sauerstoff, Stickstoff, Edelgase).
Da die verschiedenen Edelgase auch verschiedene Siedetemperaturen besitzen, können die Gase durch fraktionierte Destillation gewonnen werden.
Siedetemperaturen der Edelgase
| Helium | -269 °C |
| Neon | -246 °C |
| Argon | -186 °C |
| Krypton | -152 °C |
| Xenon | -108 °C |
| Radon | -62 °C |
Die flüssige Luft lässt man dazu in eine Bodenkolonne fließen und erhitzt sie am Boden der Kolonne. Sie verdampft.
In den jeweiligen Böden kondensiert sie und setzt sich wieder ab.
Die erste Fraktion entsteht bei einer Temperatur von -194,5 °C.
Sie besteht aus einem Gemisch von 50 % Helium und Neon sowie 50 % Stickstoff.
Als zweite Fraktion destilliert ein Stickstoff-Argon-Gemisch.
Als nächste Fraktion entsteht ein Gemisch, das einen überaus großen Sauerstoff-Anteil enthält.
Die vierte destillierte Fraktion setzt sich aus 50 % Krypton und Xenon sowie 50 % Sauerstoff zusammen.
Für die meisten praktischen Anwendungen reichen diese Edelgasgemische aus. Sollten jedoch (fast) reine Edelgase benötigt werden, so können beispielsweise durch Rektifikation (wiederholte Destillation) und Adsorption an Aktivkohle die Gasgemische weiter getrennt werden.
