Edelgassen

CONCEPT

In de uiterst rechtse kolom van het periodiek systeem der elementen bevindt zich een groep die bekend staat als de edelgassen: helium, neon, argon, krypton, xenon, en radon. Deze gassen, ook wel zeldzame gassen genoemd, werden vroeger inerte gassen genoemd, omdat wetenschappers dachten dat ze niet met andere elementen konden reageren. Hoewel ze zeldzaam zijn, maken deze gassen deel uit van het dagelijks leven, zoals blijkt uit het helium in ballonnen, het neon in uithangborden – en het schadelijke radon in sommige Amerikaanse huizen.

HOE HET WERKT

Het definiëren van de edelgassen

Het periodiek systeem der elementen is gerangschikt volgens het aantal protonen in de kern van een atoom voor een bepaald element (het atoomnummer), maar de tabel is ook zo gerangschikt dat elementen met gelijksoortige eigenschappen bij elkaar gegroepeerd zijn. Dit is het geval met groep 8, die soms groep 18 wordt genoemd, een verzameling niet-metalen die bekend staan als de edelgassen. De zes edelgassen zijn helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), en radon (Rn). Hun atoomnummers zijn respectievelijk 2, 10, 18, 36, 54 en 86.

Naast hun plaats in het periodiek systeem zijn er nog een aantal andere kenmerken die de edelgassen definiëren. Uiteraard zijn het allemaal gassen, wat betekent dat ze alleen bij extreem lage temperaturen vloeibaar of vast worden – temperaturen die, althans op aarde, gewoonlijk alleen in een laboratorium worden bereikt. Ze zijn kleurloos, reukloos en smaakloos, en bovendien mono-atoom, dat wil zeggen dat ze als afzonderlijke atomen bestaan, en niet in moleculen. (Daarentegen combineren zuurstofatomen – ook een gas, maar niet tot deze groep – gewoonlijk tot een molecuul, O2.)

Lage reactiviteit

Er is een reden waarom edelgasatomen de neiging hebben niet te combineren: een van de bepalende kenmerken van de edelgas-“familie” is hun gebrek aan chemische reactiviteit. In plaats van te reageren op, of zich te binden met, andere elementen, hebben de edelgassen de neiging apart te blijven – vandaar de naam “edel”, die iemand of iets aanduidt dat als het ware apart staat van de massa. Wegens hun klaarblijkelijk gebrek aan reactiviteit werden de edelgassen – ook wel de zeldzame gassen genoemd – vroeger de inerte gassen genoemd.

Helium, neon en argon bleken zich niet met andere elementen te verbinden om verbindingen te vormen. In 1962 slaagde de Engelse scheikundige Neil Bartlett (1932-) er echter in een verbinding van xenon met platina en fluor (XePtF6) te bereiden, waardoor het idee dat de edelgassen volledig “inert” waren, op zijn kop werd gezet. Sedertdien zijn talrijke verbindingen van xenon met andere elementen, met name zuurstof en fluor, ontwikkeld. Fluor is ook gebruikt om eenvoudige verbindingen te vormen met krypton en radon.

Niettemin worden de zeldzame gassen gekenmerkt door een lage reactiviteit – in plaats van geen reactiviteit, zoals vroeger werd gedacht. Een van de factoren die de reactiviteit van een element bepalen, is zijn elektronenconfiguratie, en de elektronen van de edelgassen zijn zo gerangschikt dat ze binding met andere elementen ontmoedigen.

REAL-LIFE TOEPASSINGEN

Isolation of the Noble Gases

HELIUM.

Helium is in vele opzichten een ongewoon element – niet in het minst omdat het het enige element is dat voor het eerst in het zonnestelsel werd geïdentificeerd voordat het op aarde werd ontdekt. Dit is belangrijk, omdat de elementen op aarde dezelfde zijn als die in de ruimte: het is dus meer dan een poging om poëtisch te klinken wanneer wetenschappers zeggen dat mensen, evenals de wereld om hen heen, gemaakt zijn van “het materiaal van sterren.”

In 1868 was een Franse astronoom genaamd Pierre Janssen (1824-1907) in India om een totale zonsverduistering waar te nemen. Om hem bij zijn waarnemingen te helpen, gebruikte hij een spectroscoop, een instrument voor het analyseren van het spectrum van het licht dat door een object wordt uitgezonden. Wat Janssen’s spectroscoop liet zien was verrassend: een gele lijn in het spectrum, nooit eerder gezien, die leek te wijzen op de aanwezigheid van een nog niet eerder ontdekt element. Janssen noemde het “helium” naar de Griekse god Helios, of Apollo, die de ouden met de zon associeerden.

Janssen deelde zijn bevindingen met de Engelse astronoom Sir Joseph Lockyer (1836-1920), die een wereldwijde reputatie had voor zijn werk in het analyseren van lichtgolven. Lockyer geloofde ook dat wat Janssen had gezien een nieuw element was, en een paar maanden later nam hij dezelfde ongewone spectraallijnen waar. In die tijd was de spectroscoop nog een nieuwe uitvinding, en vele leden van de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap twijfelden aan het nut ervan, en dus trokken zij, ondanks Lockyers reputatie, het bestaan van dit “nieuwe” element in twijfel. Toch werd tijdens hun leven bewezen dat Janssen en Lockyer gelijk hadden.

NEON, ARGON, KRYPTON, EN XENON.

Ze moesten echter nog een kwart eeuw wachten. In 1893 raakte de Engelse scheikundige Sir William Ramsay (1852-1916) geïntrigeerd door de aanwezigheid van een mysterieuze gasbel die overbleef wanneer stikstof uit de atmosfeer werd gecombineerd met zuurstof. Dit fenomeen was ook al meer dan een eeuw eerder opgemerkt door de Engelse natuurkundige Henry Cavendish (1731-1810), maar Cavendish kon er geen verklaring voor geven. Ramsay daarentegen had het voordeel van de waarnemingen van de Engelse natuurkundige John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919).

Tot dan toe geloofden wetenschappers dat lucht alleen bestond uit zuurstof, kooldioxide, en waterdamp. Rayleigh had echter opgemerkt dat wanneer stikstof aan de lucht werd onttrokken na verwijdering van die andere bestanddelen, deze een iets hogere dichtheid had dan stikstof die door een chemische reactie was verkregen. In het licht van zijn eigen waarnemingen concludeerde Ramsay dat stikstof uit chemische reacties zuiver was, terwijl uit lucht geëxtraheerde stikstof sporen van een onbekend gas bevatte.

Ramsay had het slechts in één opzicht mis: onder de stikstof bevond zich niet één gas, maar vijf. Om deze gassen te isoleren, onderwierpen Ramsay en Rayleigh de lucht aan een combinatie van hoge druk en lage temperatuur, waardoor de verschillende gassen bij verschillende temperaturen afkookten. Eén van de gassen was helium – de eerste bevestiging van het bestaan van dit element op aarde – maar de andere vier gassen waren tot dan toe onbekend. De Griekse oorsprong van de namen die aan de vier gassen werden gegeven, weerspiegelde de verwondering van de wetenschappers over de ontdekking van deze moeilijk te vinden elementen: neos (nieuw), argos (in werking), kryptos (verborgen), en xenon (vreemdeling).

RADON.

Geïnspireerd door de studies van de Pools-Franse natuurkundige en scheikundige Marie Curie (1867-1934) over het element radium en het verschijnsel radioactiviteit (zij ontdekte het element, en bedacht de laatste term), raakte de Duitse natuurkundige Friedrich Dorn (1848-1916) gefascineerd door radium. Toen hij het element bestudeerde, ontdekte hij dat het een radioactief gas uitstootte, dat hij “radiumemissie” noemde. Uiteindelijk realiseerde hij zich echter dat wat werd geproduceerd een nieuw element was. Dit was het eerste duidelijke bewijs dat een element een ander element kon worden door het proces van radioactief verval.

Ramsay, die samen met Rayleigh in 1904 de Nobelprijs had gekregen voor zijn werk aan de edelgassen, was in staat de spectraallijnen van het nieuwe element in kaart te brengen en de dichtheid en atoommassa ervan te bepalen. Enkele jaren later, in 1918, gaf een andere wetenschapper, C. Schmidt, het de naam “radon”. Op grond van zijn gedrag en de configuratie van zijn elektronen rekenden scheikundigen radon nog een halve eeuw lang tot wat zij de “inerte gassen” bleven noemen – tot Bartlett in 1962 xenonverbindingen ging bereiden.

Vertegenwoordiging van de Zeldzame Gassen op Aarde

IN DE LUCHT.

Hoewel de Zeldzame Gassen op Aarde in mineralen en meteorieten worden aangetroffen, is hun grootste aanwezigheid in de atmosfeer van de planeet. Men gelooft dat zij lang geleden in de lucht zijn vrijgekomen als bijprodukt van het verval van radioactieve materialen in de aardkorst. In de atmosfeer is argon het meest “overvloedig” – in vergelijkende termen, gezien het feit dat de “zeldzame gassen” per definitie zeldzaam zijn.

Stikstof maakt ongeveer 78% van de atmosfeer van de Aarde uit en zuurstof 21%, hetgeen betekent dat deze twee elementen 99% van de lucht boven de Aarde uitmaken. Argon komt op een verre derde plaats, met 0,93%. De resterende 0,07% bestaat uit waterdamp, kooldioxide, ozon (O3) en sporen van edelgassen. Deze gassen zijn in zulke kleine hoeveelheden aanwezig dat de cijfers voor deze gassen gewoonlijk niet in percentages worden weergegeven, maar in delen per miljoen (ppm). De concentraties van neon, helium, krypton en xenon in de atmosfeer zijn respectievelijk 18, 5, 1 en 0,09 ppm.

IN DE BODEM.

Radon in de atmosfeer is vrijwel te verwaarlozen, wat een gelukkige zaak is, gezien de radioactieve eigenschappen ervan. Weinig Amerikanen wisten zelfs maar van het bestaan ervan af tot 1988, toen het United States Environmental Protection Agency (EPA) een rapport uitbracht waarin werd geschat dat ongeveer tien miljoen Amerikaanse huizen potentieel schadelijke radonconcentraties hadden. Dit deed de schrik om het hart slaan en aan het eind van de jaren tachtig en in de jaren negentig nam de verkoop van radondetectoren voor thuisgebruik een hoge vlucht. Ondertussen vergrootte de federale regering haar bezorgdheid met bijkomende rapporten, waarin mensen werd aangeraden hun kelders af te sluiten en hun huizen te ventileren als radon bepaalde niveaus overschreed.

Een aantal wetenschappers heeft de beweringen van de regering betwist, maar sommige regio’s van de Verenigde Staten lijken een relatief hoog risico te lopen door de aanwezigheid van radon in de bodem. Het element schijnt het talrijkst te zijn in bodems die hoge concentraties uranium bevatten. Als radon aanwezig is in een huis dat is afgedicht om de efficiëntie van verwarmings- en koelsystemen te verbeteren, is het inderdaad potentieel gevaarlijk voor de bewoners.

Chinese wetenschappers deden in de jaren zestig een interessante ontdekking met betrekking tot radon en de toepassing daarvan op de seismografie, of het gebied van de aardwetenschappen dat is gewijd aan het bestuderen en voorspellen van aardbevingen. Uit de Chinese rapporten bleek dat het radongehalte in het grondwater vlak voor een aardbeving aanzienlijk stijgt. Sindsdien hebben de Chinezen de radonconcentraties in het water gecontroleerd en deze gegevens gebruikt om aardbevingen te voorspellen.

RARME GASSEN ONTDEKKEN.

Radon is in feite niet het enige zeldzame gas dat kan worden verkregen als gevolg van radioactief verval: in 1903 toonden Ramsay en de Britse scheikundige Frederick Soddy (1877-1956) aan dat de afbraak van uranium of radium leidt tot de produktie van heliumatomen (betadeeltjes). Enkele jaren later toonde de Engelse natuurkundige Ernest Rutherford (1871-1937) aan dat straling met een positieve elektrische lading (alfastralen) in feite een stroom heliumatomen is, ontdaan van een elektron.

Veel edelgassen worden gewonnen door lucht vloeibaar te maken, d.w.z. door de lucht te verlagen tot een temperatuur waarbij hij de eigenschappen aanneemt van een vloeistof in plaats van een gas. Door de temperatuur in de vloeibaar gemaakte lucht te regelen, is het mogelijk het kookpunt van een bepaald edelgas te bereiken en het zo te extraheren, ongeveer zoals werd gedaan toen deze gassen in de jaren 1890 voor het eerst werden geïsoleerd.

DE UNIEKE SITUATIE VAN HELIUM.

Helium is opmerkelijk, omdat het pas vloeibaar wordt bij een temperatuur van -457,6°F (-272°C), net boven het absolute nulpunt. Het absolute nulpunt is de temperatuur waarbij de beweging van atomen of moleculen vrijwel tot stilstand komt, maar de beweging van heliumatomen houdt nooit helemaal op. Om het zelfs bij deze lage temperatuur vloeibaar te maken, moet het worden blootgesteld aan een druk die vele malen hoger is dan die van de aardatmosfeer.

Gezien deze feiten is het moeilijk helium uit lucht te winnen. Het wordt vaker gewonnen uit aardgasbronnen, waar het in relatief grote concentraties aanwezig is – tussen 1% en 7% van het aardgas. Het grootste deel van de heliumvoorraad op aarde behoort toe aan de Verenigde Staten, waar de grootste overvloed aan heliumleverende putten zich in Texas, Oklahoma en Kansas bevindt. Tijdens de Tweede Wereldoorlog maakten de Verenigde Staten gebruik van deze relatief goedkope heliumvoorraad om een vloot luchtschepen voor verkenning van drijfvermogen te voorzien.

Er is één plaats met een overvloedige voorraad helium, maar er zijn geen plannen voor een mijnexpeditie op korte termijn. Die plaats is de zon, waar helium ontstaat door de kernfusie van waterstofatomen. Na waterstof schijnt helium het element bij uitstek te zijn, dat 23% van de totale massa van het heelal uitmaakt. Waarom is het dan zo moeilijk te verkrijgen op aarde? Waarschijnlijk omdat het zo licht is in vergelijking met lucht; het zweeft gewoon de ruimte in.

Toepassingen voor de Edele Gassen

RADON, ARGON, KRYPTON, EN XENON.

Hoewel radon vooral bekend is om de gevaren die het oplevert voor het menselijk leven en welzijn, heeft het ook nuttige toepassingen. Zoals hierboven opgemerkt, blijkt de aanwezigheid ervan in grondwater een mogelijk middel te zijn om aardbevingen te voorspellen. Daarnaast wordt het gebruikt voor het opsporen van lekken, het meten van stroomsnelheden en het inspecteren van metaallassen.

Een interessant gebruik van argon en in het bijzonder van de stabiele isotoop argon-40, is in dateringstechnieken die worden gebruikt door geologen, paleontologen en andere wetenschappers die het verre verleden bestuderen. Wanneer vulkanisch gesteente aan extreem hoge temperaturen wordt blootgesteld, komt er argon vrij, en wanneer het gesteente afkoelt, stapelt zich argon-40 op. Omdat argon-40 gevormd wordt door het radioactieve verval van een kaliumisotoop, kalium-40, is de hoeveelheid argon-40 die gevormd wordt evenredig met de snelheid waarmee kalium-40 vervalt. Kalium-40 heeft een halfwaardetijd van 1,3 miljard jaar, wat betekent dat het 1,3 miljard jaar duurt voor de helft van het oorspronkelijk aanwezige kalium-40 in argon-40 is omgezet. Met behulp van argon-40 hebben paleontologen de ouderdom kunnen schatten van vulkanische lagen boven en onder fossiele resten en artefacten in Oost-Afrika.

Krypton heeft een aantal gespecialiseerde toepassingen – zo wordt het gemengd met argon en gebruikt bij de vervaardiging van ramen met een hoog thermisch rendement. In lasers wordt het vaak gemengd met een halogeen zoals fluor. Bovendien wordt het soms ook gebruikt in halogeen sealed-beam koplampen. Veel fans van Superman waren ongetwijfeld ooit teleurgesteld toen zij ontdekten dat er niet zoiets bestaat als “kryptoniet”, het fictieve element dat de Man van Staal zijn legendarische kracht deed verliezen. Toch heeft krypton – het echte element – toepassingen die letterlijk niet van deze wereld zijn. Bij de ontwikkeling van brandstof voor de ruimteverkenning concurreert krypton met zijn zusterelement, xenon. Xenon levert betere prestaties, maar kost ongeveer tien keer meer om te produceren; daarom is krypton aantrekkelijker geworden als brandstof voor ruimtevluchten.

Naast zijn potentieel als ruimtebrandstof, wordt xenon gebruikt in booglampen voor filmprojectie, in hogedruklampen voor ultraviolette straling, en in speciale flitslampen die door fotografen worden gebruikt. Een bepaalde isotoop van xenon wordt gebruikt voor het traceren van de beweging van zand langs een kustlijn. Xenon wordt ook toegepast in de hoge-energiefysica voor het detecteren van nucleaire straling in bubbelkamers. Bovendien experimenteren neurowetenschappers met het gebruik van xenon in diagnostische procedures om röntgenbeelden van de menselijke hersenen te verduidelijken.

NEON.

Neon is natuurlijk het meest bekend om zijn toepassing in neonreclames, die een opvallende gloed produceren wanneer ze ’s nachts worden verlicht. De Franse chemicus Georges Claude (1870-1960), geïntrigeerd door Ramsay’s ontdekking van neon, voerde experimenten uit die leidden tot de ontwikkeling van het neonlicht in 1910. Die eerste neonlamp was niet meer dan een glazen buis gevuld met neongas, dat helder rood opgloeide wanneer het met elektriciteit werd geladen.

Claude ontdekte uiteindelijk dat het mengen van andere gassen met neon verschillende kleuren licht opleverde. Hij experimenteerde ook met variaties in de vorm van glazen buizen om letters en afbeeldingen te maken. Tegen de jaren 1920 kwam neonlicht in zwang, en het is vandaag de dag nog steeds populair. Moderne neonlampen zijn meestal gemaakt van plastic in plaats van glas, en het kleurengamma is veel groter dan in Claude’s tijd: niet alleen de gasvulling, maar ook de coating in de buis is gevarieerd, wat resulteert in een verscheidenheid van kleuren uit het hele spectrum.

Hoewel het neonbord de bekendste toepassing is, wordt neon voor veel andere dingen gebruikt. De gloeilampen van het neon worden vaak gebruikt om aan/uit-instellingen op elektronische instrumentenpanelen aan te wijzen, en de lichtgewicht neonlampen worden gevonden op machines die van computers aan voltageregelaars gaan. In feite gebruikte de eerste praktische kleurentelevisie, die in 1928 werd geproduceerd, een neonbuis om de rode kleur in de ontvanger te produceren. Groen kwam van kwik, maar het blauwe licht in die vroege kleurentelevisie kwam van een ander edelgas, helium.

HELIUM.

Helium is natuurlijk algemeen bekend om zijn gebruik in ballonnen – zowel voor grote luchtschepen als voor de ballonnen die menig klein kind vreugde en plezier hebben bezorgd. Hoewel helium veel duurder is dan waterstof om luchtschepen drijfvermogen te geven, is waterstof uiterst ontvlambaar, en na de beruchte explosie van het luchtschip Hindenburg in 1937 werd helium het medium bij uitstek voor luchtschepen. Zoals eerder opgemerkt, maakte het leger van de Verenigde Staten tijdens de Tweede Wereldoorlog uitgebreid gebruik van met helium gevulde luchtschepen.

Het gebruik van helium voor drijfvermogen is een van de meest prominente toepassingen van dit edelgas, maar bij lange na niet de enige. In feite hebben mensen helium niet alleen gebruikt om in ballonnen omhoog te gaan, maar duikers gebruiken helium ook om onder het oppervlak van de oceaan te duiken. In die situatie wordt helium natuurlijk niet gebruikt om drijfvermogen te leveren, maar als bescherming tegen de duikgerelateerde aandoening die bekend staat als “de bochten”, die optreedt wanneer stikstof in het bloed borrelt wanneer de duiker naar de oppervlakte stijgt. Helium wordt gemengd met zuurstof in luchttanks van duikers omdat het niet zo gemakkelijk oplost in het bloed als stikstof.

Een van de meest fascinerende toepassingen van helium heeft te maken met zijn buitengewoon lage vriespunt. Helium heeft een belangrijke rol gespeeld in de lage-temperatuurwetenschap die bekend staat als cryogenie, en heeft toepassing gevonden in het onderzoek naar supergeleiding: het gebruik van zeer lage temperaturen om materialen te ontwikkelen die elektrische energie geleiden met een veel grotere efficiëntie dan gewone geleiders. Dicht bij het absolute nulpunt verandert helium in een hoogst ongebruikelijke vloeistof, die verschilt van alle andere stoffen, in die zin dat hij geen meetbare stromingsweerstand heeft. Dit betekent dat het een elektrische stroom honderden malen efficiënter kan geleiden dan een koperdraad.

WAAR TE LEREN

“De chemie van de zeldzame gassen” (Web site). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html> (13 mei 2001).

“Huiswerk: Wetenschap: Chemistry: Gassen” Channelone.com (website). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html> (12 mei 2001).

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

Mebane, Robert C. and Thomas R. Rybolt. Lucht en andere gassen. Illustraties van Anni Matsick. New York: Twenty-First Century Books, 1995.

“Noble Gases” Xrefer.com (website). <http://www.xrefer.com/entry/643259> (13 mei 2001).

Zeldzame gassen. Praxair (website). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument> (13 mei 2001).

Stwertka, Albert. Supergeleiders: De onweerstaanbare toekomst. New York: F. Watts, 1991.

Taylor, Ron. Feiten over Radon en Asbest. Geïllustreerd door Ian Moores. New York: F. Watts, 1990.