Edelgase

CONCEPT

In der äußersten rechten Spalte des Periodensystems der Elemente befindet sich eine Gruppe, die als Edelgase bekannt ist: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. Sie wurden früher auch als Edelgase bezeichnet, weil die Wissenschaftler glaubten, sie könnten nicht mit anderen Elementen reagieren. Obwohl sie selten sind, sind diese Gase ein Teil des täglichen Lebens, wie das Helium in Ballons, das Neon in Schildern – und das schädliche Radon in einigen amerikanischen Häusern – beweisen.

WIE ES FUNKTIONIERT

Definition der Edelgase

Das Periodensystem der Elemente ist nach der Anzahl der Protonen im Atomkern eines bestimmten Elements (der Ordnungszahl) geordnet, aber die Tabelle ist auch so aufgebaut, dass Elemente mit ähnlichen Eigenschaften in Gruppen zusammengefasst werden. Dies ist der Fall bei der Gruppe 8, die manchmal auch als Gruppe 18 bezeichnet wird, einer Sammlung von Nichtmetallen, die als Edelgase bekannt sind. Die sechs Edelgase sind Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe) und Radon (Rn). Ihre Ordnungszahlen sind 2, 10, 18, 36, 54 bzw. 86.

Abgesehen von ihrer Stellung im Periodensystem sind die Edelgase durch mehrere Merkmale gekennzeichnet. Natürlich sind alle Gase, was bedeutet, dass sie nur bei extrem niedrigen Temperaturen flüssig oder fest werden – Temperaturen, die, zumindest auf der Erde, normalerweise nur in einem Labor erreicht werden. Sie sind farb-, geruch- und geschmacklos sowie einatomig, d. h., sie existieren als einzelne Atome und nicht als Moleküle. (Im Gegensatz dazu verbinden sich Sauerstoffatome – ein weiteres Gas, das jedoch nicht zu dieser Gruppe gehört – normalerweise zu einem Molekül, O2.)

Geringe Reaktivität

Es gibt einen Grund, warum sich Edelgasatome in der Regel nicht verbinden: Eines der bestimmenden Merkmale der Edelgas-„Familie“ ist ihre mangelnde chemische Reaktivität. Anstatt mit anderen Elementen zu reagieren oder sich mit ihnen zu verbinden, neigen Edelgase dazu, für sich zu bleiben – daher auch der Name „edel“, der auf jemanden oder etwas hinweist, das sich sozusagen von der Masse abhebt. Aufgrund ihres offensichtlichen Mangels an Reaktivität wurden die Edelgase, die auch als Edelgase bezeichnet werden, früher als Edelgase bezeichnet.

In der Tat wurde nicht festgestellt, dass Helium, Neon und Argon mit anderen Elementen Verbindungen eingehen. Im Jahr 1962 gelang es dem englischen Chemiker Neil Bartlett (1932-) jedoch, eine Verbindung von Xenon mit Platin und Fluor (XePtF6) herzustellen und damit die Vorstellung zu widerlegen, dass die Edelgase völlig „inert“ seien. Seitdem wurden zahlreiche Verbindungen von Xenon mit anderen Elementen, vor allem mit Sauerstoff und Fluor, entwickelt. Fluor wurde auch verwendet, um einfache Verbindungen mit Krypton und Radon zu bilden.

Dennoch sind die Edelgase durch eine geringe Reaktivität gekennzeichnet – und nicht, wie früher angenommen, durch keine Reaktivität. Einer der Faktoren, die die Reaktivität eines Elements bestimmen, ist seine Elektronenkonfiguration, und die Elektronen der Edelgase sind so angeordnet, dass sie eine Bindung mit anderen Elementen erschweren.

REAL-LIFE APPLICATIONS

Isolation der Edelgase

HELIUM.

Helium ist in vielerlei Hinsicht ein ungewöhnliches Element – nicht zuletzt, weil es das einzige Element ist, das zuerst im Sonnensystem identifiziert wurde, bevor es auf der Erde entdeckt wurde. Das ist bedeutsam, weil die Elemente auf der Erde die gleichen sind wie die im Weltraum: Es ist also mehr als nur ein Versuch, poetisch zu klingen, wenn Wissenschaftler sagen, dass der Mensch und die Welt um ihn herum aus dem „Stoff der Sterne“ gemacht sind.

Im Jahr 1868 war ein französischer Astronom namens Pierre Janssen (1824-1907) in Indien, um eine totale Sonnenfinsternis zu beobachten. Zur Unterstützung seiner Beobachtungen benutzte er ein Spektroskop, ein Instrument zur Analyse des Lichtspektrums eines Objekts. Was Janssens Spektroskop zeigte, war überraschend: eine gelbe Linie im Spektrum, die noch nie zuvor gesehen worden war und die auf das Vorhandensein eines bisher unentdeckten Elements hinzuweisen schien. Janssen nannte es „Helium“, nach dem griechischen Gott Helios oder Apollo, den die Alten mit der Sonne in Verbindung brachten.

Janssen teilte seine Erkenntnisse mit dem englischen Astronomen Sir Joseph Lockyer (1836-1920), der durch seine Arbeiten zur Analyse von Lichtwellen weltweit bekannt war. Auch Lockyer glaubte, dass es sich bei dem, was Janssen gesehen hatte, um ein neues Element handelte, und einige Monate später beobachtete er die gleichen ungewöhnlichen Spektrallinien. Zu dieser Zeit war das Spektroskop noch eine neue Erfindung, und viele Mitglieder der weltweiten wissenschaftlichen Gemeinschaft zweifelten an seiner Nützlichkeit, weshalb sie trotz Lockyers Ruf die Existenz dieses „neuen“ Elements anzweifelten. Doch noch zu ihren Lebzeiten bekamen Janssen und Lockyer Recht.

NEON, ARGON, KRYPTON UND XENON.

Sie mussten jedoch noch ein Vierteljahrhundert warten. Im Jahr 1893 wurde der englische Chemiker Sir William Ramsay (1852-1916) auf eine geheimnisvolle Gasblase aufmerksam, die bei der Verbindung von Stickstoff aus der Atmosphäre mit Sauerstoff übrig blieb. Dieses Phänomen hatte auch der englische Physiker Henry Cavendish (1731-1810) mehr als ein Jahrhundert zuvor beobachtet, aber Cavendish konnte keine Erklärung dafür liefern. Ramsay hingegen konnte sich auf die Beobachtungen des englischen Physikers John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919), stützen.

Bis dahin glaubten die Wissenschaftler, dass Luft nur aus Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf besteht. Rayleigh hatte jedoch festgestellt, dass Stickstoff, der aus der Luft extrahiert wurde, nachdem diese anderen Bestandteile entfernt worden waren, eine etwas höhere Dichte aufwies als Stickstoff, der durch eine chemische Reaktion gewonnen wurde. Aus seinen Beobachtungen schloss Ramsay, dass der aus der Luft extrahierte Stickstoff Spuren eines unbekannten Gases enthielt, während der aus chemischen Reaktionen gewonnene Stickstoff rein war.

Ramsay irrte sich nur in einer Hinsicht: In dem Stickstoff waren nicht ein, sondern fünf Gase versteckt. Um diese Gase zu isolieren, setzten Ramsay und Rayleigh die Luft einer Kombination aus hohem Druck und niedriger Temperatur aus und ließen die verschiedenen Gase bei unterschiedlichen Temperaturen verdampfen. Bei einem der Gase handelte es sich um Helium – die erste Bestätigung für die Existenz des Elements auf der Erde -, aber die anderen vier Gase waren bisher unbekannt. Die griechischen Wurzeln der Namen, die den vier Gasen gegeben wurden, spiegeln das Erstaunen der Wissenschaftler über die Entdeckung dieser schwer zu findenden Elemente wider: neos (neu), argos (aktiv), kryptos (verborgen) und xenon (fremd).

RADON.

Angeregt durch die Studien der polnisch-französischen Physikerin und Chemikerin Marie Curie (1867-1934) über das Element Radium und das Phänomen der Radioaktivität (sie entdeckte das Element und prägte den letztgenannten Begriff), war der deutsche Physiker Friedrich Dorn (1848-1916) vom Radium fasziniert. Er untersuchte das Element und entdeckte, dass es ein radioaktives Gas abgab, das er „Radium-Emanation“ nannte. Schließlich erkannte er jedoch, dass es sich bei dem erzeugten Gas um ein neues Element handelte. Dies war der erste eindeutige Beweis dafür, dass ein Element durch den Prozess des radioaktiven Zerfalls in ein anderes umgewandelt werden kann.

Ramsay, der zusammen mit Rayleigh 1904 den Nobelpreis für seine Arbeiten über die Edelgase erhalten hatte, konnte die Spektrallinien des neuen Elements aufzeichnen und seine Dichte und Atommasse bestimmen. Einige Jahre später, im Jahr 1918, gab ein anderer Wissenschaftler namens C. Schmidt dem Element den Namen „Radon“. Aufgrund seines Verhaltens und der Konfiguration seiner Elektronen ordneten die Chemiker Radon noch ein halbes Jahrhundert lang unter den so genannten „Edelgasen“ ein – bis Bartlett 1962 Xenonverbindungen herstellte.

Vorkommen der Edelgase auf der Erde

IN DER ATMOSPHÄRE.

Die Edelgase kommen zwar in Mineralien und Meteoriten auf der Erde vor, doch ihr größtes Vorkommen befindet sich in der Atmosphäre des Planeten. Man nimmt an, dass sie vor langer Zeit als Nebenprodukt des Zerfalls radioaktiver Stoffe in der Erdkruste in die Luft freigesetzt wurden. In der Atmosphäre ist Argon das „reichlichste“ Element – im Vergleich zu den „seltenen Gasen“, die per Definition selten sind.

Stickstoff macht etwa 78 % der Erdatmosphäre aus und Sauerstoff 21 %, was bedeutet, dass diese beiden Elemente 99 % der Luft über der Erde ausmachen. Argon liegt mit 0,93 % weit abgeschlagen an dritter Stelle. Die restlichen 0,07 % setzen sich aus Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon (O3) und Spuren von Edelgasen zusammen. Diese sind in so geringen Mengen vorhanden, dass sie in der Regel nicht in Prozenten, sondern in Teilen pro Million (ppm) angegeben werden. Die Konzentrationen von Neon, Helium, Krypton und Xenon in der Atmosphäre betragen 18, 5, 1 bzw. 0,09 ppm.

IM BODEN.

Radon ist in der Atmosphäre praktisch vernachlässigbar, was angesichts seiner radioaktiven Eigenschaften ein Glücksfall ist. Nur wenige Amerikaner wussten überhaupt von seiner Existenz, bis 1988 die US-Umweltschutzbehörde (EPA) einen Bericht veröffentlichte, in dem sie schätzte, dass etwa zehn Millionen amerikanische Haushalte potenziell schädliche Radonwerte aufwiesen. Dies löste einen Schock aus, und in den späten 1980er und 1990er Jahren boomte der Verkauf von Radon-Detektoren für den Hausgebrauch. In der Zwischenzeit verstärkte die Bundesregierung mit weiteren Berichten ihre Besorgnis und riet den Menschen, ihre Keller abzudichten und ihre Häuser zu lüften, wenn die Radonwerte bestimmte Werte überstiegen.

Eine Reihe von Wissenschaftlern hat die Behauptungen der Regierung bestritten, doch scheinen einige Regionen der Vereinigten Staaten aufgrund des Vorhandenseins von Radon im Boden relativ stark gefährdet zu sein. Das Element scheint in Böden, die hohe Konzentrationen von Uran enthalten, am stärksten verbreitet zu sein. Wenn Radon in einem Haus vorhanden ist, das abgedichtet wurde, um die Effizienz von Heiz- und Kühlsystemen zu verbessern, ist es in der Tat potenziell gefährlich für die Bewohner.

Chinesische Wissenschaftler machten in den 60er Jahren eine interessante Entdeckung in Bezug auf Radon und seine Anwendung in der Seismographie, dem Bereich der Geowissenschaften, der sich mit der Untersuchung und Vorhersage von Erdbeben befasst. Den chinesischen Berichten zufolge steigt der Radongehalt im Grundwasser kurz vor einem Erdbeben erheblich an. Seitdem überwachen die Chinesen die Radonkonzentration im Wasser und nutzen diese Daten zur Vorhersage von Erdbeben.

Entnahme von Edelgasen.

Radon ist nicht das einzige Edelgas, das durch radioaktiven Zerfall gewonnen werden kann: 1903 zeigten Ramsay und der britische Chemiker Frederick Soddy (1877-1956), dass beim Zerfall von Uran oder Radium Heliumatome (Betateilchen) entstehen. Einige Jahre später wies der englische Physiker Ernest Rutherford (1871-1937) nach, dass Strahlung mit positiver elektrischer Ladung (Alphastrahlen) in Wirklichkeit ein Strom von Heliumatomen ist, denen ein Elektron entzogen wurde.

Viele der Edelgase werden durch Verflüssigung der Luft gewonnen, d. h. durch ihre Reduzierung auf Temperaturen, bei denen sie eher die Eigenschaften einer Flüssigkeit als die eines Gases annimmt. Durch die Kontrolle der Temperaturen in der verflüssigten Luft ist es möglich, den Siedepunkt eines bestimmten Edelgases zu erreichen und es dadurch zu extrahieren, so wie es bei der ersten Isolierung dieser Gase in den 1890er Jahren gemacht wurde.

Die einzigartige Situation von Helium.

Helium ist insofern bemerkenswert, als es sich erst bei einer Temperatur von -272°C (-457,6°F) verflüssigt, also knapp über dem absoluten Nullpunkt. Der absolute Nullpunkt ist die Temperatur, bei der die Bewegung von Atomen oder Molekülen praktisch zum Stillstand kommt, aber die Bewegung von Heliumatomen hört nie ganz auf. Um es zu verflüssigen, muss es selbst bei diesen niedrigen Temperaturen einem Druck ausgesetzt werden, der um ein Vielfaches höher ist als der der Erdatmosphäre.

Auf Grund dieser Tatsachen ist es schwierig, Helium aus der Luft zu gewinnen. Häufiger wird es aus Erdgasbohrungen gewonnen, wo es in relativ hohen Konzentrationen – zwischen 1 und 7 % des Erdgases – vorhanden ist. Der größte Teil der Heliumvorräte der Erde befindet sich in den Vereinigten Staaten, wo es in Texas, Oklahoma und Kansas die meisten Heliumquellen gibt. Während des Zweiten Weltkriegs nutzten die Vereinigten Staaten diesen Vorrat an relativ preiswertem Helium, um eine Flotte von Luftschiffen, die zur Aufklärung eingesetzt wurden, mit Auftrieb zu versorgen.

Es gibt einen Ort, an dem Helium im Überfluss vorhanden ist, aber es gibt keine Pläne für eine baldige Abbauexpedition. Dieser Ort ist die Sonne, wo durch die Kernfusion von Wasserstoffatomen Helium entsteht. Tatsächlich scheint Helium nach Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element zu sein und macht 23 % der Gesamtmasse des Universums aus. Warum ist es dann auf der Erde so schwer zu beschaffen? Höchstwahrscheinlich, weil es im Vergleich zur Luft so leicht ist; es schwebt einfach in den Weltraum.

Anwendungen für die Edelgase

RADON, ARGON, KRYPTON UND XENON.

Obwohl Radon in erster Linie für die Gefahren bekannt ist, die es für das Leben und das Wohlbefinden des Menschen darstellt, hat es auch nützliche Anwendungen. Wie bereits erwähnt, scheint sein Vorkommen im Grundwasser ein mögliches Mittel zur Vorhersage von Erdbeben zu sein. Außerdem wird es zum Aufspüren von Lecks, zur Messung von Durchflussmengen und zur Prüfung von Metallschweißnähten verwendet.

Eine interessante Anwendung von Argon und insbesondere des stabilen Isotops Argon-40 ist die Datierungstechnik, die von Geologen, Paläontologen und anderen Wissenschaftlern, die die ferne Vergangenheit untersuchen, eingesetzt wird. Wenn vulkanisches Gestein extrem hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wird Argon freigesetzt, und wenn das Gestein abkühlt, reichert sich Argon-40 an. Da Argon-40 durch den radioaktiven Zerfall eines Kaliumisotops, Kalium-40, entsteht, ist die Menge des entstehenden Argon-40 proportional zur Zerfallsrate von Kalium-40. Letzteres hat eine Halbwertszeit von 1,3 Milliarden Jahren, was bedeutet, dass es 1,3 Milliarden Jahre dauert, bis die Hälfte des ursprünglich vorhandenen Kalium-40 in Argon-40 umgewandelt ist. Mit Hilfe von Argon-40 konnten Paläontologen das Alter von Vulkanschichten über und unter Fossilien- und Artefaktresten in Ostafrika abschätzen.

Krypton hat eine Reihe spezieller Anwendungen – es wird beispielsweise mit Argon gemischt und bei der Herstellung von Fenstern mit hohem Wärmewirkungsgrad verwendet. In Lasern wird es oft mit einem Halogen wie Fluor gemischt. Außerdem wird es manchmal in Halogenscheinwerfern mit versiegeltem Licht verwendet. Viele Fans von Superman waren zweifellos enttäuscht, als sie feststellten, dass es so etwas wie „Kryptonit“, das fiktive Element, das den Mann aus Stahl seine legendäre Stärke verlieren ließ, nicht gibt. Doch Krypton – das echte Element – hat Anwendungen, die buchstäblich nicht von dieser Welt sind. Bei der Entwicklung von Treibstoff für die Weltraumforschung konkurriert Krypton mit seinem Schwesterelement Xenon. Xenon bietet eine bessere Leistung, ist aber in der Herstellung etwa zehnmal teurer; daher ist Krypton als Treibstoff für die Raumfahrt attraktiver geworden.

Zusätzlich zu seinem Potenzial als Weltraumtreibstoff wird Xenon in Bogenlampen für die Projektion von Kinofilmen, in Hochdruck-Ultraviolettstrahlungslampen und in speziellen Blitzlampen für Fotografen verwendet. Ein bestimmtes Isotop von Xenon wird für die Verfolgung der Bewegung von Sand entlang einer Küste verwendet. Xenon wird auch in der Hochenergiephysik zum Nachweis von Kernstrahlung in Blasenkammern eingesetzt. Außerdem experimentieren Neurowissenschaftler mit dem Einsatz von Xenon in diagnostischen Verfahren zur Klärung von Röntgenbildern des menschlichen Gehirns.

NEON.

Neon ist natürlich am bekanntesten für seine Anwendung in Neonschildern, die bei Nacht ein auffälliges Leuchten erzeugen. Der französische Chemiker Georges Claude (1870-1960), der von Ramsays Entdeckung des Neons fasziniert war, führte Experimente durch, die 1910 zur Entwicklung des Neonlichts führten. Diese erste Neonlampe war einfach eine mit Neongas gefüllte Glasröhre, die hellrot leuchtete, wenn sie mit Strom aufgeladen wurde.

Claude entdeckte schließlich, dass das Mischen anderer Gase mit Neon verschiedene Lichtfarben erzeugte. Er experimentierte auch mit verschiedenen Formen von Glasröhren, um Buchstaben und Bilder zu erzeugen. In den 1920er Jahren kam das Neonlicht in Mode und ist auch heute noch beliebt. Moderne Neonlampen bestehen in der Regel aus Kunststoff statt aus Glas, und die Farbpalette ist viel größer als zu Claudes Zeiten: Nicht nur die Gasfüllung, sondern auch die Beschichtung im Inneren der Röhre wird variiert, was zu einer Vielzahl von Farben aus dem gesamten Spektrum führt.

Auch wenn das Neonschild seine bekannteste Anwendung ist, wird Neon für viele andere Dinge verwendet. Neonglühlampen werden häufig zur Anzeige von Ein- und Ausschaltvorgängen auf elektronischen Instrumententafeln verwendet, und leichte Neonlampen finden sich auf Geräten von Computern bis hin zu Spannungsreglern. Der erste praktische Farbfernseher, der 1928 hergestellt wurde, verwendete eine Neonröhre, um die rote Farbe im Empfänger zu erzeugen. Grün kam von Quecksilber, aber das blaue Licht in diesem frühen Farbfernseher kam von einem anderen Edelgas, Helium.

HELIUM.

Helium ist natürlich weithin bekannt für seine Verwendung in Ballons – sowohl für große Luftschiffe als auch für die Ballons, die vielen kleinen Kindern Freude und Spaß bereitet haben. Helium ist zwar viel teurer als Wasserstoff, um Luftschiffe mit Auftrieb zu versorgen, aber Wasserstoff ist extrem brennbar, und nach der berüchtigten Explosion des Luftschiffs Hindenburg im Jahr 1937 wurde Helium das bevorzugte Medium für Luftschiffe. Wie bereits erwähnt, machte das US-Militär während des Zweiten Weltkriegs ausgiebig Gebrauch von mit Helium gefüllten Luftschiffen.

Die Verwendung von Helium als Auftriebsmittel ist eine der bekanntesten Anwendungen dieses Edelgases, aber bei weitem nicht die einzige. Tatsächlich haben Menschen Helium nicht nur benutzt, um in Ballons aufzusteigen, sondern auch Taucher verwenden Helium, um unter die Oberfläche des Ozeans zu tauchen. In diesem Fall wird Helium natürlich nicht zum Auftrieb verwendet, sondern als Mittel zum Schutz vor der Taucherkrankheit „Taucherkrankheit“, die auftritt, wenn der Stickstoff im Blut des Tauchers beim Auftauchen an die Oberfläche Blasen bildet. Helium wird in den Atemluftflaschen der Taucher mit Sauerstoff gemischt, weil es sich im Blut nicht so leicht löst wie Stickstoff.

Zu den faszinierendsten Anwendungen von Helium gehört sein außergewöhnlich niedriger Gefrierpunkt. Helium spielt eine wichtige Rolle in der Tieftemperaturwissenschaft, die als Kryogenik bekannt ist, und findet Anwendung in der Forschung zur Supraleitung: die Nutzung sehr niedriger Temperaturen zur Entwicklung von Materialien, die elektrische Energie mit weitaus größerer Effizienz leiten als gewöhnliche Leiter. In der Nähe des absoluten Nullpunkts verwandelt sich Helium in eine höchst ungewöhnliche Flüssigkeit, die im Gegensatz zu allen anderen bekannten Stoffen keinen messbaren Strömungswiderstand aufweist. Das bedeutet, dass es einen elektrischen Strom hundertmal effizienter leiten könnte als ein Kupferdraht.

Wo man mehr erfahren kann

„The Chemistry of the Rare Gases“ (Website). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (13. Mai 2001).

„Hausaufgaben: Wissenschaft: Chemistry: Gases“ Channelone.com (Website). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (Mai 12, 2001).

Knapp, Brian J.; David Woodroffe; David A. Hardy. Elements. Danbury, CT: Grolier Educational, 2000.

Mebane, Robert C. und Thomas R. Rybolt. Air and Other Gases. Illustrationen von Anni Matsick. New York: Twenty-First Century Books, 1995.

„Edelgase“ Xrefer.com (Website). <http://www.xrefer.com/entry/643259> (13. Mai 2001).

Seltene Gase. Praxair (Web site). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (13. Mai 2001).

Stwertka, Albert. Superconductors: The Irresistible Future. New York: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Fakten über Radon und Asbest. Illustriert von Ian Moores. New York: F. Watts, 1990.