Als Edelgase werden die Elemente der 8. Hauptgruppe des Periodensystems bezeichnet (früher auch: Nullgruppe; nach der neueren Nummerierung der IUPAC: Gruppe 18). Es sind die Elemente: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon sowie wahrscheinlich Ununoctium.
Alle Edelgase sind farb- und geruchlose, nicht brennbare und kaum wasserlösliche Gase. Sie kommen atomar statt molekular vor, da sie chemisch nahezu keine Verbindungen eingehen können (Der Grund hierfür ist, dass die Energieniveaus (veraltet: "Schalen") des Atoms abgeschlossen (d. h. vollständig mit Elektronen aufgefüllt) sind. Für ein genaueres Verständnis benötigt man die Quantenmechanik; einige wenige Edelgasverbindungen (wie z.B. XePtF6) und Einschlussverbindungen (Clathrate) konnten inzwischen erzeugt werden).
Edelgase kommen von Natur aus in der Erdatmosphäre, also unserer Luft vor (Gehaltsangaben:
- 0,934 Volumenprozent der Luft sind Argon (9,34 l/m3),
- 18,18 ppm Neon (das sind 18,18 ml/m3),
- 5,24 ppm Helium – zum Teil auch aus Erdgas –
- 1,14 ppm Krypton sowie
- 0,087 ppm Xenon (= 87 ppb)
- und das radioaktive Zerfallsprodukt Radon nur in Spuren im ppt-Bereich von etwa 1000 Atomen pro Liter Bodenluft – insbesonders in einigen unterirdischen Stollen, Höhlen und u.U. auch Kellern).
Im Universum ist Helium nach Wasserstoff das zweithäufigste Element (Erklärungen hierzu liefert die Kosmochemie), aber nur 0,00016% der 5,24 mL Helium pro m3 Luft sind Helium-3-Isotope.
Darstellung
Die Edelgase werden in „Luftzerlegungsanlagen (LZA)“ und Niederdruck-Sauerstoff-Anlagen durch fraktionierte Destillation der Luft bzw. der Roh-Argon-Fraktion der LZA dargestellt (Luftverflüssigung). Aufgrund ihrer Seltenheit sind Krypton, Xenon und Neon wesentlich teurer als Argon und Helium.
Helium kann außerdem aus Erdgasen gewonnen werden, in dem es bis zu ca. 8 % vorhanden ist (einen hohen Heliumanteil im Erdgas können vor allem amerikanische Quellen vorweisen): Bei der Abkühlung auf –205 °C bleibt nur Helium gasförmig zurück. Argon fällt zudem als Nebenprodukt bei der Ammoniak-Synthese (siehe Haber-Bosch-Verfahren) an, da es sich mit ca. 10 % im Gasgemisch anreichert.
Eigenschaften
Der Name „Edelgas“ rührt daher, dass diese Elemente der VIII. Hauptgruppe sehr reaktionsträge (inert) sind: Ihre Atome weisen eine Edelgaskonfiguration auf, ein Elektronenoktett auf der Außenschale. Alle anderen Atome streben diese Edelgaskonfiguration an – sie ist, energetisch betrachtet, der Idealzustand des Atoms, den es durch chemische Reaktionen zu erreichen bestrebt ist. Hat ein Atom Edelgaskonfiguration, so besitzt es acht Außenelektronen oder Valenzelektronen und geht keine chemische Verbindung mehr ein (unter normalen Umständen). Im Unterschied zu allen anderen Gasen kommen die Edelgase daher in der Luft nur einatomig statt molekular vor. Es gibt dennoch einige, wenige Beispiele für künstlich erzeugte, chemische Verbindungen, die Edelgase beinhalten: XeF6, XeF4, XeF2, KrF2
Helium (He)
Helium ist – dem geringen Atomgewicht entsprechend – das Edelgas mit dem niedrigsten Siedepunkt (4,22 K), der niedrigsten Dichte 0,1785 kg/m3) und der geringsten Wasserlöslichkeit. Es ist so leicht, dass es ständig aus der Erdatmosphäre in das All entweicht – jedoch wird vom Sonnenwind auch ständig Helium nachgeliefert.
Es ist zudem die einzige Substanz ohne Tripelpunkt, das heisst, es lässt sich nach der Verflüssigung fast nicht mehr Verfestigen. Verflüssigtes Helium wird stattdessen nahe dem absoluten Nullpunkt „suprafluid“: Es fließt absolut reibungsfrei – notfalls sogar die Gefäßwand hoch (Onnes-Effekt; im 100 Atomschichten dicken Rollin-Film, nur mit der Quantentheorie erklärbar), und es muss Wärme zugeführt werden, um es so nahe am absoluten Nullpunkt noch verfestigen zu können.
Benannt wurde Helium nach der Sonne (griech.: "helios"), da es bei der totalen Sonnenfinsternis von 1868 durch P. Janssen im Spektrum der Sonnenprotuberanzen entdeckt wurde (Spektralanalyse). P. Janssen hielt das so neuentdeckte Ellement für ein Metall (bis dahin waren Spektren nur bei Metallen gefunden worden) weshalb er dem Namen die für Metalle übliche Endung -ium anhängte anstatt der üblichen Endung für Edelgase -on.
Erst 1895 konnte Helium auf der Erde isoliert werden (William Ramsay), indem man uran- und thoriumhaltige Mineralien im Vakuum erhitzte (Porzellanrohr, 1200°C). Erst 1917 konnte es dann auch durch Erdgas- und Luftverflüssigung gewonnen werden.
Neon (Ne)
Neon, das „Neue“ (von griech. „neon“,neu) ist nach Helium und Wasserstoff das drittleichteste aller Gase (Dichte 0,8999 kg/m3 bei 273 K ) und das dritthäufigste Element im Universum (Luft: ca. 16 mL/m3).
Es ist insbesonders aus der Beleuchtungstechnik bekannt, da es in Leuchtröhren scharlachrotes Licht emittiert, wird zunehmend aber auch als Kühlmittel in der Kältetechnik genutzt (Siedepunkt nur 27,09 K).
Argon (Ar)
Argon, das häufigste und daher preiswerteste Edelgas, hat mit 1,784 kg/m3 bei 273 K eine Dichte die nur etwas über der von Stickstoff und Sauerstoff (die den größten Teil der Luft ausmachen) liegt – nur dass es als Edelgas eben chemisch nicht reagiert (sein Name kommt vom griech. „argos“ = träge).
Im Labor kann Argon daher – wenn man die Spuren restlicher Edelgase vernachlässigt – auch gewonnen werden, wenn mit Natronkalk getrocknete und von Kohlendioxid gereinigte Luft über glühendes Kupfer geleitet und danach mit Magnesium erhitzt wird, so dass der Sauerstoff als Kupfer-II-oxid und der Stickstoff als Magnesiumnitrid Mg3N2 gebunden werden. Das Restgas (Rohargon) besteht zu 99,8% aus Argon.
Krypton (Kr)
Krypton, das „Verborgene“ (griech.: „kryptos“), ist bereits schwerer und somit auch leichter zu verflüssigen als Luft (Siedepunkt um 120 K, Dichte 3,749 kg/m3 bei 273 K). Nur 1,14 ml Krypton sind in 1 Kubikmeter Luft enthalten, jedoch reichert es sich als Spurengas ganz langsam in der Atmosphäre an (Nebenprodukt aus der Plutonium- und Uran-Spaltung), aus der es in Sauerstoffanlagen wieder als Kr-Xe-Konzentrat gewonnen wird (Lampen-Füllgas). Mithilfe von Fluorgas als dem stärksten aller Oxidationsmittel gelang es inzwischen, die chemische Verbindung Kryptondifluorid zu erzwingen (Redoxreaktion) – ein ätzendes Giftgas, das in Kontakt mit Metallen sofort zu Krypton und Metallfluoriden zurückreagiert.
Xenon (Xe)
Xenon, das „Fremde“ (griech.: „xenos“) ist eines der seltensten Elemente der Erde, über 3 mal schwerer als Luft (Dichte 5,9 kg/m3 (273 K)) und weist eine derart niedrige Schallgeschwindigkeit auf, dass es die menschliche Stimme nach dem Einatmen in sehr tiefem Bass erklingen lässt (Vorsicht: Anders als Helium, das wegen höherer Schallgeschwindigkeit die bekannte "Mickeymaus"-Stimme erzeugt, muss das teure, schwere Xenon-Gas anschließend im Kopfstand wieder ausgeatmet werden, damit kein Rest in der Lunge verbleibt!). Xenon wirkt außerdem narkotesierend.
Radon (Rn)
Radon (Rn) wurde namentlich vom Radium abgeleitet. Radon ist das schwerste Elementare Gas in der Erdatmosphäre Dichte 9,73 kg/m3 (273 K) und auch das selteste Gas überhaupt. In fester und flüssiger Form phosphoresziert es aufgrund seiner Radioaktivität. Auch die Zerfallsprodukte von Radon sind radioaktiv (Gesundheitsgefahr im Uranbergbau!), dennoch werden winzige Radonspuren bei der Emanationstherapie z.B. in Bad Gastein, Karlsbad und Ischia angewendet. Das langlebigste Isotop Radon-222 hat eine Halbwertzeit von 3,824 Tagen – insgesamt zu gering, um davon größere Mengen Radonverbindungen herstellen und untersuchen zu können.
Verwendung
Inertgasatmosphäre in Industrie und Chemie
Edelgasatmosphären sind ideale Medien, um chemische Reaktionen zu verhindern und reaktive Materialien zu schützen.
Argon dient daher in großen Mengen als Schutzgas: Immer wenn luftempfindliche, also oxidierbare Metalle geschmolzen oder verschweißt werden (z.B. Aluminium, Magnesium, Titan, Molybän), so verhindert es als Schutzgas den Luftzutritt, der Oxid- und Nitridbeläge oder gar Selbstentzündung der Leichtmetalle zur Folge haben kann. Das Lichtbogenschweißen unter Edelgasatmosphäre erspart zudem ein Flussmittel, und preiswertere Edelgase wie Arghon und Krypton in Glühbirnen verhindern, dass die oft auf über 2000°C erhitzten Wolframdrähte durchbrennen.
Helium dient zudem als Ballongas, in reiner Form insbesonders bei meteorologischen Ballons sowie in flüssiger Form als Tiefsttemperatur-Kühlmittel (Siedepunkt 4,22 Kelvin).
Beleuchtungstechnik
Edelgase werden für Leuchtreklamen verwendet, da sie in Gasentladungsröhren charakteristische Farben ausstrahlen:
Leuchtröhren oder Kaltkathodenlampen sind dünne, mit Gas unter geringem Druck gefüllte Glasrohre, deren Enden mit Elektroden verschlossen sind. Beim Anlegen einer hohen Spannung wird das Gas zum Leuchten angeregt. Die ersten praktisch einsetzbaren Leuchtröhren wurden um 1910 von dem Franzosen Georges Claude entwickelt (Siehe auch: Leuchtröhre, Bogenlampe, Gasentladungslampe, Glühlampe) In einer Leuchtröhre wird die positive Säule einer elektrischen Entladung ausgenutzt. Da die Leuchtröhre, anders als eine Leuchtstoffröhre, mit ungeheizten Elektroden arbeitet, benötigt sie hohe Betriebs-Spannungen von 400 V (bei ca. 30 mm Durchmesser) bis 1000 Volt (bei ca. 8 mm Durchmesser) pro Meter. VDE-Vorschriften begrenzen die zulässige Spannung auf 7.5 kV. Als Vorschaltgerät wählt man einen Streufeldtransformator. Im Leerlauf liefert er eine hohe Zündspannung, die im Betrieb bei einer Belastung von 50-100 mA auf 30 % abfällt. Die Leistungsaufnahme liegt bei ca. 30 W/m.
Die Lichtausbeute beträgt ca. 30 lm/W, die Leuchtdichte ca. 3 · 103 cd/m2. Die Lebensdauer beträgt, je nach Füllgas, bis zu 20 Jahre. Sie ist unabhängig von Ein- und Ausschaltvorgängen; eine Eigenschaft, die für blinkende Leuchtreklame vorteilhaft ist.
Unter dem Namen "Kaltlichtkathodenlampen" werden Leuchtröhren als Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen, als Lichtquelle in Scannern oder als dekorative Beleuchtung (Modding) in PCs eingesetzt.
Die Farbe der Leuchtröhre ist abhängig von der Art des eingefüllten Gases oder Gasgemisches (alterungsanfällige Nicht-Edelgase in Klammern):
- Neon: orangerot (Neonröhre)
- Neon mit Quecksilberdampf in grüngelbem Rohr: grün
- Helium: weißrosa
- Helium in gelbem Rohr: gelb
- (Stickstoff: gelbrosa)
- (Kohlenstoffdioxid: bläulichweiß)
- Krypton: weiß
- Argon: blau (intensiver durch Beifügen von Quecksilberdampf)
Die ersten Leuchtröhren waren mit Neon gefüllt. Umgangssprachlich werden Leuchtstoffröhren oder Kaltlichtkathodenlampen daher noch heute, unabhängig von der Farbe, als Neonröhren bezeichnet.
Tauchen
Beim Tauchen wird ein Gemisch aus Helium, Sauerstoff und Stickstoff eingesetzt (sog. "Trimix"). Der Vorteil liegt darin, dass das Narkosepotenzial von He unabhängig vom Umgebungsdruck immer gleich Null ist. Dies bedeutet, dass keine Stickstoffnarkose (Tiefenrausch) auftritt der beim Tauchen mit Druckluft ein Problem wird, wenn der Umgebungsdruck einen bestimmten Wert, der von Person zu Person verschieden ist, überschreitet. Erst bei einem Umgebungsdruck von >15 bar tritt bei einem hohen He-Anteil im Atemgas fallweise das sog. "HPNS" ("high pressure nervous syndrome") auf, das sog. "Heliumzittern". Um dies zu vermeiden fügt man dem Atemgas wieder einen bestimmten Stickstoffanteil hinzu, dessen Narkosepotenzial das HPNS unterdrücken kann.
Beim Tauchen mit Trimix sind neben dem geringeren Narkosepotenzial von He weitere Sachverhalte zu beachten, die das Dekompressionsverfahren betreffen: Die Diffusionsgeschwindigkeit von He in den Körpergeweben ist deutlich höher als die von N2. Dies liegt in der kleineren Molekülgröße des He-Atoms begründet. Die Sättigung der Körpergewebe ist daher bei He um den Faktor 2,65 größer als bei N2 (vergl. Ausführungen von Bühlmann, erläutert unter http://www.peter-rachow.de/buehlmann.htm). Die Halbwertszeiten der Gewebe sind ebenfalls um den entsprechenden Faktor höher, die Inertgasspannung dadurch ebenfalls, wenn Druckexposition vorliegt.
Daraus folgert bei einer identischen Druckexposition, dass bei einem Tauchgang mit einem He-N2-O2-Gemisch verglichen mit einem N2-O2-Gemisch ein deutlich höherer Inertgaspartialruck in den Geweben vorhanden sein wird. Daher ist auch nicht, wie vielfach vermutet, die Gefahr einer Dekompressionskrankheit vermindert wenn mit He getaucht wird, sondern diese ist, abhängig vom Heliumanteil im Atemgasgemisch, deutlich erhöht. Es ergeben sich daher andere Austauchstrategien (i. e. verminderte Geschwindigkeiten, länge Dekompressionsaufenthalte, Dekompression mit reinem O2).
Weiterführende Ausführungen: http://www.peter-rachow.de/dekompression.htm
Autor dieses Artikels: Peter Rachow
Kühlmittel, Ballongas, Kerntechnik
Helium wird außerdem bei der Befüllung von Ballons und in der Kerntechnik verwendet (als Kühlmittel, da es nicht radioaktiv wird und einen geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt hat). Zudem dient es bei Niedrigsttemperaturversuchen als Kühlmittel, da es den tiefsten Siedepunkt aller Substanzen hat. Argon wird als Inertgas beim Schutzgas-Schweißen verwendet. Xenon findet wegen seines hohen Molekulargewichts sowie seiner leichten Lager- und Ionisierbarkeit mittlerweile als Antriebsmedium in Ionenantrieben in der Raumfahrt Verwendung. Des Weiteren wird die Reaktionsträgheit der Edelgase in Glühlampen eingesetzt, um eine Reaktion des Wolframdrahtes zu verhindern. Im Vergleich zum Vakuum hat ein durch Edelgas geschütztes System den Vorteil, dass der Wolframdraht auch bei großer Hitze nicht gut verdampfen kann (vgl. Dampfdruck).
Lagerung und Transport
In großen Mengen werden Edelgase wie andere Gase in Stahlflaschen gelagert (zumeist mit 200bar in 50-L-Flaschen). Da jedoch große Mengen eines selteneren Edelgases teuer sind (Ne,Kr,Xe) und häufig nur kleine Mengen benötigt werden, wird das Edelgas bei kleinen Mengen als Einlagerungsatom in Klathraten verkauft.
Das Edelgas befindet sich dann in den Hohlräumen des Wirtsgitters und wird durch van-der-Waals-Wechselwirkung an seiner Position gehalten. z. B. β-Hydrochinon-Clathrat[C6H4(OH)2]3E (E=Ar, Kr, Xe) Anzahl der Hohlräume besetzt: Ar=67%, Kr=67–74%, Xe=88%
Nur die in vergleichsweise riesigen Mengen vorhandenen Edelgase Helium und Argon werden auch in Tanklastwagen zu Großverbrauchern transportiert.
Geschichte
Nach der Entdeckung der zuvor unbekannten Helium-Linie im Spektrum des Sonnenlichtes wurden die Edelgase in den Jahren von 1894 bis 1905 von Sir William Ramsay entdeckt und in das Periodensystem eingeordnet. 1904 erhielt er dafür den Nobelpreis für Chemie. Dieser Entdeckung verdanken wir nicht nur zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten der Edelgase in Beleuchtungs-, Schweiß- und Raumfahrttechnik: Die auch durch die Edelgase mögliche Entdeckung der periodisch sich wiederholenden Eigenschaften der Elemente führte zur Entwicklung des „Periodensystems der Elemente“ und zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen dem Aufbau der Atome und den chemischen Eigenschaften der Elemente, aus denen sich die Materie unseres Universums zusammensetzt. Chemisch nahezu reaktionsunfähige Stoffe wurden so in der Chemie in der Neuzeit mit zur Basis chemischer Erkenntnisse und Forschungsergebnisse.
Literatur
- Karl O. Christe: Die Renaissance der Edelgaschemie. Angewandte Chemie 113(8), S. 1465–1467 (2001), ISSN 0044-8249
- Werner Aeschbach-Hertig: Klimaarchiv im Grundwasser. Physik in unserer Zeit 33(4), S. 160–166 (2002), ISSN 0031–9252 (Artikel über die Verwendung von Edelgasisotopen im Grundwasser zur Altersbestimmung des Grundwassers)
Siehe auch: Oktettregel, biatomar, Kosmochemie, Leuchtröhre, Periodensystem, Chemie, Atom
Vorlage:Gruppen (Periodensystem)
