Vorlesung Chemie der Nichtmetalle
3. Edelgase
3.1. Elemente
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Zur Gruppe der Edelgase gehören die Elemente:
- He (Helium)
- Ne (Neon)
- Ar (Argon)
- Kr (Krypton)
- Xe (Xenon)
- Rn (Radon) (mit einer Halbwertszeit t1/2 von 3.8 Tagen)
Fast alle Elemente wurden von
Sir William Ramsey
Ende des vorletzten
Jahrhunderts entdeckt, wofür er 1904 den Nobelpreis für Chemie
erhielt.
Die Elektronenkonfiguration ist jeweils s2p6, eben
die komplett gefüllte Edelgasschale, die von allen Atomen angestrebt wird. Es ist von daher verständlich,
daß bis zum Jahr 1962 keine Verbindungen der Edelgase bekannt waren, obwohl bereits
im Jahr 1930, L. Pauling die Existenz von Xe-F-Verbindungen postuliert hatte.
1962 gelangt dem Amerikaner Bartlett im Alter von 30 Jahren die Herstellung der ersten, zunächst
nicht korrekt identifizierten Edelgasverbindung:
Xe + F2 + PtF6 ---> 'XePtF6'
Bei dem von Bartlett erhaltenen Produkt handelt es sich um eine Mischung von
XeF+[PtF6-], Xe2F3+[PtF6-] und XeF+[Pt2F11]-.
In den folgenden Jahren wurde mit Fluor und auch mit den anderen stark elektronegativen Elementen
viele Verbindungen der Edelgase dargestellt. Heute kennt man Xe-Verbindungen mit den Elementen
F, Cl, Br, N, C und Sauerstoff.
Vorkommen und Gewinnung
- Helium ist nach Wasserstoff das häufigstes Element insgesamt.
Im Weltraum liegt seine Häufigkeit bei 9%. Auf der Erde ist Helium relativ selten
und hat vor allem als Produkt radioaktiver Zerfälle Bedeutung.
Helium wird aus Erdgasquellen (Texas) gewonnen, die zwischen 1 und 7 % He enthalten.
- Die anderen Edelgase sind Bestandteile der Luft und werden dementsprechend
aus Luft durch fraktionierte Rektifikation gewonnen. Hierfür ist die
Zusammensetzung der Luft und die Siedepunkte der einzelnen Gase wichtig:
| Gas |
Volumen-% |
Siedepunkt [oC] |
|
| He |
0.0005 |
-269 |
| Ne |
0.002 |
-246 |
| N2 |
|
-196 |
| Ar |
0.9 |
-186 |
| O2 |
|
-183 |
| Kr |
0.0001 |
-153 |
| Xe |
0.00001 |
-108 |
| Rn |
10-17 (sehr selten) |
|
| Tab. 3.1.1. Edelgasgehalte der Luft
|
Danach ist vor allem die Abtrennung Ar von O2
und Ne von N2 erforderlich.
Außerdem ist für die Gewinnung der Edelgase von Bedeutung,
daß es bei technischen Kreislaufprozessen, die mit Luft arbeiten
(z.B. NH3-Herstellung) zu einer Anreicherung der Edelgase im Prozessgas
kommt.
Eigenschaften und Strukturen
Die Edelgase sind inert. Als Elemente liegen sie atomar vor. Sie sind sämtlich farblose,
ungiftige, unbrennbare Gase. Im Festkörper kristallisieren sie in der kubisch dichtesten Kugelpackung.
Eine Besonderheit des Heliums ist die Eigenschaft, daß es unterhalb von 2.2 K supraflüssig
wird (He-II) und dann nur noch eine sehr geringe Viskosität aufweist.
Weitere Details zur Strukturchemie der Edelgase finden sich
im Kap. 2.2.1. der Vorlesung
Anorganische Strukturchemie.
Verwendung
Alle Edelgase werden in der Lichttechnik und als Inertgas (z.B. beim Schweißen, im Labor usw.)
verwendet. Helium dient wegen seines niedrigen Siedepunktes (z.B. in der Kernspintomographie, Supraleitende Magnete)
als Kühlmittel und wird in Kernreaktoren wegen seines geringen Neutroneneinfangquerschnitts verwendet.
Ar, Kr und Xe werden als Füllgase für Lampen (ca. 3-4 bar) eingesetzt, wo sie die
Diffusion der Metallatome vom Glühdraht weg verhindern. Außerdem haben sie eine
geringe Wärmeleitung, was von Bedeutung ist, da
die Wolfram-Wendel in einer Glühbirne eine Temperatur hat, die nur wenig
unter dem Schmelzpunkte von Wolfram liegt, weil hier die Lichtausbeute am größten ist.