Edelgase - Chemie
Edelgase - Chemie
Edelgase - Chemie
Einleitung
Die Edelgase bilden die Gruppe 18 des Periodensystems. In der älteren Einteilung heißen sie auch 8. Hauptgruppe. Zu den gut untersuchten Edelgasen gehören Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. Oganesson steht ebenfalls in Gruppe 18, wurde aber nur künstlich in sehr kleinen Mengen erzeugt. Seine Stoffeigenschaften sind deshalb noch nicht ausreichend experimentell bekannt.
Edelgase sind im Alltag meist unsichtbar. Unter normalen Bedingungen sind Helium bis Radon farblose, geruchlose und einatomige Gase. Besonders auffällig werden sie in Gasentladungsröhren: Dort senden angeregte Atome Licht mit charakteristischen Farben aus.
In diesem aiMOOC lernst Du,
- warum Edelgase nur selten reagieren,
- wie ihre Elektronenhülle aufgebaut ist,
- welche Veränderungen innerhalb der Gruppe auftreten,
- wo Edelgase vorkommen und wie sie gewonnen werden,
- wofür sie technisch genutzt werden,
- welche Gefahren besonders bei Radon und Druckgasen zu beachten sind.
Stellung im Periodensystem
Die Edelgase stehen ganz rechts im Periodensystem. Damit schließen sie jede Periode ab. Ihre Atome besitzen eine vollständig besetzte Außenschale. Diese Elektronenanordnung heißt Edelgaskonfiguration.
| Element | Symbol | Ordnungszahl | Elektronen auf der Außenschale | Besonderheit |
|---|---|---|---|---|
| Helium | He | 2 | 2 | Voll besetzte erste Schale |
| Neon | Ne | 10 | 8 | Leuchtet in Gasentladungen rotorange |
| Argon | Ar | 18 | 8 | Häufigstes Edelgas der Erdatmosphäre |
| Krypton | Kr | 36 | 8 | Wird unter anderem in Speziallampen genutzt |
| Xenon | Xe | 54 | 8 | Bildet mehrere bekannte Verbindungen |
| Radon | Rn | 86 | 8 | Radioaktiv |
| Oganesson | Og | 118 | theoretisch 8 | Künstlich erzeugt und extrem kurzlebig |
Elektronenkonfiguration und Edelgasregel
Für Helium lautet die Elektronenkonfiguration . Seine einzige Schale ist damit vollständig besetzt. Bei Neon bis Radon kann die Außenschale vereinfacht als beschrieben werden. Sie enthält acht Valenzelektronen.
| Element | Vereinfachte Schalenbelegung |
|---|---|
| Helium | 2 |
| Neon | 2 – 8 |
| Argon | 2 – 8 – 8 |
| Krypton | 2 – 8 – 18 – 8 |
| Xenon | 2 – 8 – 18 – 18 – 8 |
| Radon | 2 – 8 – 18 – 32 – 18 – 8 |
Die voll besetzte Außenschale ist energetisch günstig. Deshalb geben Edelgasatome nur schwer Elektronen ab und nehmen nur schwer Elektronen auf. Viele andere Hauptgruppenelemente gehen dagegen Ionenbindungen oder Atombindungen ein, durch die sie eine ähnliche Elektronenanordnung erreichen. Dieses vereinfachte Schulmodell heißt Edelgasregel oder Oktettregel. Es erklärt viele, aber nicht alle chemischen Bindungen.
Eigenschaften
Gemeinsame Eigenschaften
Die klassischen Edelgase Helium bis Radon sind bei Raumtemperatur gasförmig. Sie bestehen aus einzelnen Atomen und nicht aus Molekülen. Zwischen ihren Atomen wirken nur schwache London-Kräfte. Daher besitzen Edelgase niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen.
Typische Merkmale sind:
- geringe Reaktivität: Die vollständig besetzte Außenschale ist stabil.
- farb- und geruchlos: Reine Edelgase sind im normalen Zustand nicht sichtbar.
- einatomig: Die Teilchen liegen als einzelne Atome vor.
- nicht brennbar: Edelgase dienen deshalb oft als Schutzgase.
- charakteristische Lichtspektren: Angeregte Atome senden bestimmte Wellenlängen aus.
Veränderungen innerhalb der Gruppe
Von Helium nach Xenon und Radon werden die Atome größer. Ihre Elektronenhüllen lassen sich leichter verformen. Dadurch werden die London-Kräfte stärker.
| Eigenschaft von oben nach unten | Tendenz | Erklärung |
|---|---|---|
| Atomradius | nimmt zu | Es kommen weitere Elektronenschalen hinzu |
| Dichte | nimmt im Allgemeinen zu | Die Atommasse wächst deutlich |
| Siedetemperatur | nimmt zu | Die Anziehung zwischen den Atomen wird stärker |
| Erste Ionisierungsenergie | nimmt ab | Außenelektronen sind weiter vom Kern entfernt |
| Reaktionsfähigkeit | nimmt etwas zu | Schwere Edelgase können leichter Elektronen abgeben oder teilen |
Ungefähre Siedetemperaturen zeigen diesen Trend: Helium siedet bei etwa −269 °C, Neon bei −246 °C, Argon bei −186 °C, Krypton bei −153 °C und Xenon bei −108 °C. Für den Unterricht ist vor allem die Reihenfolge wichtig, nicht das Auswendiglernen aller Werte.
Sind Edelgase wirklich reaktionsträge?
Lange galten Edelgase als vollständig reaktionsunfähig. Heute sind besonders von Xenon mehrere Verbindungen bekannt, zum Beispiel Xenondifluorid mit der Formel . Auch Krypton kann unter besonderen Bedingungen Verbindungen bilden. Helium und Neon sind chemisch besonders reaktionsträge.
Die Bezeichnung Edelgas ist deshalb genauer als die ältere Bezeichnung Inertgas: Edelgase reagieren selten, aber nicht grundsätzlich nie.
Vorkommen und Gewinnung
In der Atmosphäre und im Weltall
Argon macht ungefähr 0,93 Volumenprozent der trockenen Luft aus. Neon, Helium, Krypton und Xenon kommen in der Atmosphäre nur in deutlich kleineren Spuren vor. Helium ist dagegen im Weltall sehr häufig und nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum.
Technische Gewinnung
Argon, Neon, Krypton und Xenon werden vor allem durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft getrennt. Dabei nutzt man die unterschiedlichen Siedetemperaturen der Luftbestandteile.
Helium wird überwiegend aus heliumreichen Erdgaslagerstätten gewonnen. Es entsteht in der Erdkruste unter anderem bei radioaktiven Zerfällen. Radon entsteht fortlaufend in natürlichen Zerfallsreihen, wenn Uran und Radium im Boden zerfallen. Oganesson wird in Teilchenbeschleunigern aus Atomkernen erzeugt.
Entdeckungsgeschichte
Helium wurde zuerst im Spektrum der Sonne erkannt. Sein Name leitet sich vom griechischen Wort für Sonne ab. Argon wurde 1894 von Lord Rayleigh und William Ramsay als Bestandteil der Luft nachgewiesen. William Ramsay und Morris Travers entdeckten später Neon, Krypton und Xenon bei der Untersuchung verflüssigter Luft. Für seine Arbeiten zu Edelgasen erhielt Ramsay 1904 den Nobelpreis für Chemie.
Eine wichtige Wende folgte 1962: Neil Bartlett zeigte, dass Xenon chemische Verbindungen bilden kann. Damit war die Vorstellung widerlegt, Edelgase seien unter allen Bedingungen völlig reaktionsunfähig.
Anwendungen
Helium
Helium besitzt eine sehr geringe Dichte und ist nicht brennbar. Es wird als Traggas in Ballons und Luftschiffen eingesetzt. Flüssiges Helium dient zur Kühlung auf sehr tiefe Temperaturen, etwa bei supraleitenden Magneten in der Forschung und in bestimmten medizinischen Geräten. Außerdem wird Helium zur Lecksuche und als Schutzgas verwendet.
Sicherheit: Das Einatmen von Helium ist gefährlich. Es kann Sauerstoff verdrängen und zu Bewusstlosigkeit oder Erstickung führen. Gas aus Druckflaschen darf niemals eingeatmet werden.
Neon
Neon sendet in Gasentladungsröhren ein intensives rotorangefarbenes Licht aus. Daher wurde es besonders für Leuchtreklamen bekannt. Umgangssprachlich werden viele Leuchtschriften als „Neonlicht“ bezeichnet, obwohl andere Gase oder Leuchtstoffe beteiligt sein können.
Argon
Argon ist preisgünstiger und leichter verfügbar als die schwereren Edelgase. Beim Schutzgasschweißen verdrängt es Luft am heißen Werkstück. Dadurch werden unerwünschte Reaktionen mit Sauerstoff und Stickstoff vermindert. Argon wird außerdem in Lampen, bei der Metallherstellung und als Schutzatmosphäre eingesetzt.
Krypton und Xenon
Krypton wird unter anderem in Speziallampen und als Füllgas in besonders gut dämmenden Fenstern verwendet. Xenon kommt in Blitzlampen, Hochdrucklampen und bestimmten Scheinwerfern zum Einsatz. Xenon-Ionen können außerdem als Antriebsmittel in Ionentriebwerken dienen.
Radon
Radon ist ein radioaktives Edelgas. Es kann aus dem Boden in Gebäude gelangen und sich besonders in schlecht gelüfteten Räumen ansammeln. Werden Radon und seine radioaktiven Folgeprodukte über längere Zeit eingeatmet, steigt das Risiko für Lungenkrebs. Radon lässt sich nur mit Messgeräten zuverlässig erfassen. Regelmäßiges Lüften und bauliche Maßnahmen können die Belastung verringern.
Gasentladung und Licht
In einer Gasentladungsröhre werden Edelgasatome durch elektrische Energie angeregt. Elektronen wechseln dabei auf höhere Energieniveaus. Beim Zurückfallen geben sie Energie als Licht ab. Weil jedes Element eigene Energieniveaus besitzt, entsteht ein charakteristisches Emissionsspektrum.
Dabei ist der Energieunterschied, das Plancksche Wirkungsquantum und die Frequenz des ausgesandten Lichts. Die Farbe einer Gasentladung ist deshalb ein Hinweis auf das enthaltene Gas.
Versuchssicherheit: Spektral- und Gasentladungsröhren arbeiten mit hoher Spannung. Sie dürfen in der Schule nur mit geeigneten Geräten und unter Aufsicht einer Fachkraft betrieben werden.
Sicherheitswissen
- Druckgasflasche: Flaschen müssen gegen Umfallen gesichert und mit passenden Druckminderern benutzt werden.
- Erstickungsgefahr: Auch ungiftige Edelgase können in geschlossenen Räumen Sauerstoff verdrängen.
- Kryotechnik: Flüssige Edelgase können schwere Kälteverbrennungen verursachen.
- Radon: Eine Belastung ist nicht riechbar und nur durch Messung feststellbar.
- Hochspannung: Gasentladungsversuche gehören in fachkundige Hände.
Zusammenfassung
Edelgase stehen in Gruppe 18 des Periodensystems und besitzen eine voll besetzte Außenschale. Deshalb reagieren sie deutlich seltener als viele andere Elemente. Von oben nach unten steigen Atomgröße, Dichte und Siedetemperatur, während die Ionisierungsenergie abnimmt. Ihre geringe Reaktivität macht Edelgase zu wichtigen Schutzgasen. Ihre charakteristischen Emissionsspektren werden in Lampen und Leuchtröhren genutzt. Radon nimmt eine Sonderstellung ein, weil es radioaktiv ist und in Gebäuden ein Gesundheitsrisiko darstellen kann.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
In welcher Gruppe des Periodensystems stehen die Edelgase? (Gruppe 18) (!Gruppe 1) (!Gruppe 2) (!Gruppe 17)
Warum reagieren Edelgase meist nur wenig? (Ihre Außenschale ist vollständig besetzt) (!Sie besitzen keine Elektronen) (!Sie bestehen immer aus zwei Atomen) (!Ihre Atomkerne sind ungeladen)
Wie viele Elektronen besitzt Helium in seiner einzigen Schale? (Zwei) (!Vier) (!Sechs) (!Acht)
Welches Edelgas ist in der Erdatmosphäre am häufigsten? (Argon) (!Xenon) (!Krypton) (!Radon)
Was geschieht mit Edelgasatomen in einer Gasentladungsröhre? (Sie werden angeregt und senden Licht aus) (!Sie verwandeln sich in Metalle) (!Sie verlieren dauerhaft ihren Atomkern) (!Sie bilden immer Wasser)
Wie verändert sich die Siedetemperatur der Edelgase im Allgemeinen von oben nach unten? (Sie nimmt zu) (!Sie nimmt immer auf null ab) (!Sie bleibt bei allen gleich) (!Sie wechselt ohne erkennbaren Trend)
Welches Edelgas bildet besonders viele bekannte Verbindungen? (Xenon) (!Helium) (!Neon) (!Argon)
Warum darf Helium nicht zum Spaß eingeatmet werden? (Es kann Sauerstoff verdrängen) (!Es verwandelt sich in Radon) (!Es brennt sofort im Mund) (!Es färbt die Lunge rot)
Welche besondere Eigenschaft besitzt Radon? (Es ist radioaktiv) (!Es ist ein flüssiges Metall) (!Es ist stark brennbar) (!Es ist ein Halogen)
Wie werden Argon, Neon, Krypton und Xenon überwiegend gewonnen? (Durch Trennung verflüssigter Luft) (!Durch Verbrennen von Wasser) (!Durch Elektrolyse von Kochsalz) (!Durch Schmelzen von Sand)
Memory
| Helium | Kryotechnik |
| Neon | Rotorange Leuchtreklame |
| Argon | Schutzgas beim Schweißen |
| Krypton | Speziallampen |
| Xenon | Blitzlicht |
| Radon | Radioaktives Bodengas |
| Oganesson | Künstlich erzeugtes Element |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Typische Eigenschaft oder Verwendung |
|---|---|
| Helium | Kühlung bei sehr tiefen Temperaturen |
| Neon | Rotorange Gasentladung |
| Argon | Schutzatmosphäre beim Schweißen |
| Krypton | Füllgas für Speziallampen |
| Xenon | Lichtquelle in Blitzlampen |
| Radon | Radioaktives Gas aus dem Untergrund |
...
Kreuzworträtsel
| Argon | Welches Edelgas ist in trockener Luft am häufigsten? |
| Helium | Welches Edelgas wird als Traggas und Kühlmittel genutzt? |
| Neon | Welches Edelgas leuchtet in Gasentladungen besonders auffällig rotorange? |
| Xenon | Welches Edelgas wird in Blitzlampen und manchen Scheinwerfern verwendet? |
| Radon | Welches radioaktive Edelgas kann aus dem Boden in Gebäude gelangen? |
| Oktett | Wie heißt eine Außenschale mit acht Elektronen in Kurzform? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Steckbrief: Gestalte einen übersichtlichen Steckbrief zu einem Edelgas mit Symbol, Ordnungszahl, Vorkommen, Eigenschaften und Verwendung.
- Farben der Gasentladung: Ordne den Edelgasen typische Leuchtfarben zu und erkläre, warum die Farbe nicht mit der normalen Farbe des Gases verwechselt werden darf.
- Sicherheitsplakat: Entwirf ein Plakat mit Regeln zum sicheren Umgang mit Heliumballons, Druckgasflaschen und Gasentladungsröhren.
- Begriffsnetz: Verbinde die Begriffe Edelgaskonfiguration, Valenzelektron, Reaktionsträgheit und Gruppe 18 in einem Concept-Map.
Standard
- Periodischer Trend: Zeichne ein Diagramm mit den Siedetemperaturen von Helium bis Xenon und erkläre den Verlauf mithilfe der Atomgröße.
- Alltagsrecherche: Fotografiere oder dokumentiere Beispiele für Leuchtreklamen, Schutzgas, Lampen oder Isolierfenster und prüfe, welches Edelgas tatsächlich eingesetzt wird.
- Modellkritik: Erkläre an zwei Beispielen, was die Oktettregel gut beschreibt und wo sie als vereinfachtes Modell Grenzen hat.
- Medienanalyse: Vergleiche zwei Lernvideos über Edelgase auf Fachlichkeit, Verständlichkeit, Visualisierung und Quellenangaben.
Schwer
- Versuchsplanung: Plane einen sicheren Demonstrationsversuch zur Untersuchung von Emissionsspektren verschiedener Gasentladungsröhren und formuliere Beobachtung, Auswertung und Gefährdungsbeurteilung.
- Radonprojekt: Entwickle ein Informationskonzept für eine Schule in einem Radonvorsorgegebiet. Berücksichtige Messung, Lüftung, Kommunikation und Datenschutz.
- Xenonverbindungen: Recherchiere eine Xenonverbindung und erkläre, warum ihre Existenz die frühere Vorstellung völlig inerter Edelgase widerlegt.
- Ressourcendebatte: Führe eine strukturierte Diskussion darüber, welche Anwendungen von Helium besonders wichtig sind und wie mit begrenzten Heliumvorräten verantwortungsvoll umgegangen werden sollte.
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Lernkontrolle
- Struktur und Reaktivität: Erkläre, wie die Elektronenhülle der Edelgase mit ihrer geringen Reaktionsfähigkeit zusammenhängt. Beziehe Helium als Sonderfall ein.
- Trendanalyse: Begründe, warum die Siedetemperaturen von Helium nach Xenon steigen, obwohl alle Stoffe aus einzelnen Atomen bestehen.
- Anwendungsentscheidung: Wähle für einen Schweißprozess, einen Ballon und eine sehr helle Blitzlampe jeweils ein geeignetes Edelgas und begründe Deine Auswahl.
- Fehlvorstellung: Bewerte die Aussage „Edelgase reagieren nie“ und formuliere eine fachlich bessere Aussage.
- Radontransfer: Entwickle einen Maßnahmenplan für einen schlecht gelüfteten Keller in einem Gebiet mit erhöhter Radonwahrscheinlichkeit.
- Spektralanalyse: Erkläre, wie sich ein unbekanntes Edelgas mithilfe seines Emissionsspektrums identifizieren lässt.
Lernnachweis
Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du
- die Edelgase im Periodensystem sicher einordnen kannst,
- die Edelgaskonfiguration mit dem Schalenmodell und einer einfachen Elektronenkonfiguration erklären kannst,
- gemeinsame Eigenschaften und periodische Trends begründen kannst,
- wichtige Anwendungen passenden Stoffeigenschaften zuordnen kannst,
- Ausnahmen von der geringen Reaktivität kennst,
- Gefahren durch Sauerstoffverdrängung, Kälte, Hochspannung und Radon beurteilen kannst,
- Daten, Modelle und Medien fachlich auswerten kannst.
OERs zum Thema
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