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Edelgase: Eigenschaften, Atombau und Anwendungen
Edelgase stehen in Gruppe 18 des Periodensystems. Die gut untersuchten Edelgase von Helium bis Radon reagieren meist nur sehr schwach, weil ihre äußere Elektronenschale vollständig besetzt ist. Deshalb treten diese Elemente gewöhnlich als einzelne Atome auf.
Auf dieser Seite untersuchst du den Zusammenhang zwischen Atombau, Eigenschaften und Anwendungen. Außerdem wertest du Stoffdaten aus und prüfst, wie weit das einfache Schalenmodell trägt.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Welche Elemente gehören zu den Edelgasen?
Zur Gruppe 18 gehören Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon und Oganesson. Ihre Elementsymbole lauten He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn und Og.
Für die gut untersuchten Edelgase von Helium bis Radon gilt unter üblichen Bedingungen:
- Sie sind gasförmig.
- Sie sind farb- und geruchlos.
- Sie sind nicht brennbar.
- Sie sind kaum wasserlöslich.
- Sie sind nur wenig reaktionsfähig.
Radon und Oganesson sind radioaktiv. Radon kann als Zerfallsprodukt aus dem Boden in Keller, Höhlen oder Stollen gelangen. Seine radioaktiven Zerfallsprodukte stellen eine Gesundheitsgefahr dar.
einatomig
Ein Stoff ist einatomig, wenn seine frei vorkommenden Teilchen jeweils aus nur einem Atom bestehen. Edelgase bilden gewöhnlich keine zweiatomigen Moleküle wie viele andere gasförmige Elemente.
Der Name „edel“ beschreibt ihre geringe Reaktionsfähigkeit. Er bedeutet nicht, dass Edelgase wertvoll oder vollständig reaktionsunfähig sein müssen.
Warum reagieren Edelgase so selten?
Elektronen in der äußersten besetzten Schale heißen Valenzelektronen. Sie bestimmen wesentlich, wie ein Atom chemisch reagiert.
Bei Helium enthält die erste und einzige Schale zwei Elektronen. Damit ist sie vollständig besetzt. Die übrigen klassischen Edelgase besitzen acht Valenzelektronen.
Für sie lässt sich die äußere Elektronenkonfiguration vereinfacht so schreiben:
$$ns^2\,np^6$$
Dabei steht $n$ für die Periode. Die Hochzahlen 2 und 6 geben zusammen acht Außenelektronen an. Diese Schreibweise gilt nicht für Helium, dessen erste Schale nur das vollständig besetzte $1s$-Orbital enthält.
Eine vollständig besetzte Außenschale erklärt, warum Edelgasatome nur eine geringe Tendenz haben, Elektronen aufzunehmen, abzugeben oder für Bindungen gemeinsam zu nutzen.
Damit hängen zwei Beobachtungen zusammen:
- Edelgase reagieren nur selten.
- Sie treten gewöhnlich als einzelne Atome auf.
Das Modell ist nützlich, aber keine allgemeine Garantie für Stabilität. Eine Edelgaskonfiguration macht nicht jedes denkbare Teilchen automatisch stabil. Umgekehrt können insbesondere Xenon und Krypton unter geeigneten Bedingungen Verbindungen bilden.
Welche Trends zeigen die Stoffdaten?
Innerhalb der Gruppe verändern sich mehrere Eigenschaften regelmäßig. Die folgenden Werte gelten für die aufgeführten Bedingungen und machen den beobachteten Trend sichtbar.
| Edelgas | Dichte bei etwa 273 K in kg/m³ | Siedetemperatur |
|---|---|---|
| Helium | 0,1785 | −269,0 °C |
| Neon | 0,8999 | −246,1 °C |
| Argon | 1,784 | −185,9 °C |
| Krypton | 3,749 | −153,4 °C |
| Xenon | 5,9 | −108,1 °C |
| Radon | 9,73 | −62,2 °C |
Von Helium zu Radon gelten in diesen Daten zwei Trends:
- Die Dichte nimmt zu.
- Die Siedetemperatur steigt. Sie bleibt zwar niedrig, wird aber immer weniger negativ.
Auch die Schmelztemperaturen steigen im Allgemeinen nach unten. Die Reaktionsfähigkeit bleibt insgesamt gering, nimmt bei den schwereren klassischen Edelgasen jedoch zu. Dazu passt, dass vor allem Xenon und daneben Krypton bekannte Verbindungen bilden.
Dichtevergleich bei Ballons
Für Luft ist eine Dichte von $1{,}293\,\mathrm{g/L}$ gegeben. Da $1\,\mathrm{g/L}=1\,\mathrm{kg/m^3}$ gilt, können wir die Zahlen direkt vergleichen.
- Neon: $0{,}8999 < 1{,}293$ — Neon ist weniger dicht als Luft.
- Xenon: $5{,}9 > 1{,}293$ — Xenon ist dichter als Luft.
Bei gleich großen, idealisierten Ballons und ohne Berücksichtigung der Ballonhülle würde der Neonballon steigen, der Xenonballon dagegen sinken. Bei einem echten Ballon muss zusätzlich die Masse der Hülle getragen werden.
Wie werden Edelgase gewonnen?
Die Luft enthält zusammen ungefähr ein Prozent Edelgase. Den größten Anteil daran hat Argon mit etwa $0{,}93$ bis $0{,}934\,\mathrm{Vol.\%}$. Neon, Krypton und Xenon kommen wesentlich seltener vor.
Viele Edelgase gewinnt man durch fraktionierte Destillation verflüssigter Luft. Dabei nutzt man unterschiedliche Siedetemperaturen: Beim schrittweisen Erwärmen gehen die Bestandteile bei unterschiedlichen Temperaturen in die Gasphase über und können getrennt werden.
Helium wird überwiegend aus heliumhaltigem Erdgas gewonnen. Beim Abkühlen eines solchen Gemisches auf etwa $-205\,°\mathrm{C}$ bleibt Helium wegen seiner besonders niedrigen Siedetemperatur gasförmig, während andere Bestandteile bereits verflüssigt sind.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei der fraktionierten Destillation nutzt man unterschiedliche . Helium wird überwiegend aus gewonnen. Das häufigste Edelgas der Luft ist .
Wo nutzen wir Edelgase – und wo liegen Grenzen?
Die geringe Reaktivität macht Edelgase überall dort nützlich, wo unerwünschte chemische Reaktionen verhindert werden sollen.
| Anwendung | Edelgas | Passende Eigenschaft |
|---|---|---|
| Ballons | Helium | geringe Dichte und nicht brennbar |
| Leuchtröhren | Neon | charakteristische Lichtemission bei elektrischer Anregung |
| Schweißen | Argon | hält als reaktionsträges Schutzgas Luft vom heißen Metall fern |
| Lampenfüllungen | Argon oder Krypton | vermindert unerwünschte Reaktionen am heißen Bauteil |
| Tieftemperaturkühlung | Helium | außergewöhnlich niedrige Siedetemperatur |
| Ionenantriebe | Xenon | hohe Atommasse und günstige Handhabung |
In einer Gasentladungsröhre regt elektrische Energie die Gasatome an. Beim anschließenden Übergang in einen energieärmeren Zustand senden sie Licht aus. Nicht jede umgangssprachliche „Neonröhre“ enthält tatsächlich Neon.
Sicherheit: Atme Helium oder andere reine Gase nicht absichtlich aus Ballons oder Druckbehältern ein, um deine Stimme zu verändern. Das kann gesundheitsschädlich und sogar lebensbedrohlich sein. Radon und seine Zerfallsprodukte sind außerdem radioaktiv.
Vertiefung: Edelgase können Verbindungen bilden
„Reaktionsträge“ bedeutet nicht „reagiert niemals“. Bekannte Beispiele sind Xenonfluoride wie $XeF_4$ und $XeF_6$, Xenonoxide sowie Kryptondifluorid $KrF_2$. Viele dieser Stoffe sind deutlich reaktionsfähiger oder weniger stabil als die elementaren Edelgase.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Edelgase
- Einordnung: Gruppe 18; Helium bis Radon sind meist einatomige Gase
- Atombau: vollständig besetzte Außenschale
- Folge: geringe Reaktivität
- Ausnahme: Helium besitzt zwei Außenelektronen
- Gruppentrends
- Dichte nimmt von Helium bis Radon zu
- Schmelz- und Siedetemperaturen steigen von Helium bis Radon
- Reaktionsfähigkeit nimmt bei den schwereren klassischen Edelgasen zu
- Gewinnung
- Helium überwiegend aus Erdgas
- andere Edelgase aus verflüssigter Luft
- Anwendungen
- Helium als Traggas und Kühlmittel
- Neon in Leuchtröhren
- Argon als Schutzgas
- Grenzen
- Xenon und Krypton bilden Verbindungen
- Radon und Oganesson sind radioaktiv
Abschluss-Check
Du kannst Edelgase nun über ihre Stellung im Periodensystem, ihre Elektronenstruktur und Stoffdaten einordnen. Entscheidend ist die genaue Formulierung: Die gut untersuchten Edelgase sind reaktionsträge, aber nicht unter allen Bedingungen völlig reaktionsunfähig.