Edelgase: Eigenschaften, Atombau und Anwendungen

Zur Gruppe 18 (traditionell 8. Hauptgruppe) gehören Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon und Oganesson. Ihre Elementsymbole sind He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn und Og.

Die gut untersuchten Edelgase von Helium bis Radon sind unter üblichen Bedingungen gasförmig, farb- und geruchlos, nicht brennbar, kaum wasserlöslich und wenig reaktionsfähig. Sie treten gewöhnlich als einzelne Atome auf.

Radon und Oganesson sind radioaktiv. Radon entsteht beim Zerfall radioaktiver Stoffe im Boden und kann in Keller, Höhlen oder Stollen gelangen. Seine radioaktiven Zerfallsprodukte gefährden die Gesundheit.

Der Name „edel“ meint geringe Reaktionsfähigkeit, nicht Wert oder völlige Reaktionsunfähigkeit.

Elektronen in der äußersten besetzten Schale heißen Valenzelektronen. Sie beeinflussen, wie ein Atom reagiert. Die klassischen Edelgase, also Helium bis Radon, haben alle eine voll besetzte äußere Schale. Bei Helium enthält die einzige Schale zwei Elektronen und ist damit voll. Die übrigen klassischen Edelgase haben acht Außenelektronen in ihrer vollen äußeren Schale. Eine solche Elektronenanordnung wie bei einem Edelgas, meist mit acht Außenelektronen, bei Helium mit zwei, heißt Edelgaskonfiguration. Auch Ionen anderer Elemente, etwa \ce{Na+} oder \ce{Cl-}, können sie besitzen.

Eine volle Außenschale hilft, die geringe Reaktionsneigung zu erklären. Sie garantiert aber nicht, dass jedes Teilchen mit dieser Elektronenzahl unter allen Bedingungen stabil ist. Insbesondere Xenon und Krypton können unter geeigneten Bedingungen Verbindungen bilden.

Die Tabelle vergleicht die gut untersuchten Edelgase von Helium bis Radon. Die Dichten gelten bei etwa 273 K (0 °C). In diesen Daten nehmen die Dichte und die Siedetemperatur nach unten zu; die Siedetemperaturen bleiben dabei unter 0 °C. Auch die Schmelztemperaturen steigen im Allgemeinen. Die Reaktionsfähigkeit bleibt gering, ist bei den schwereren klassischen Edelgasen aber höher. Vor allem Xenon und auch Krypton bilden bekannte Verbindungen.

Die Luft enthält insgesamt ungefähr ein Prozent Edelgase. Argon hat mit etwa 0,93 bis 0,934 Volumenprozent der Luft den größten Anteil; Neon, Krypton und Xenon sind seltener. Viele Edelgase gewinnt man aus verflüssigter Luft durch fraktionierte Destillation: Beim schrittweisen Erwärmen trennt man Stoffe mit verschiedenen Siedetemperaturen.

Helium gewinnt man überwiegend aus heliumhaltigem Erdgas. Kühlt man ein solches Gemisch auf etwa −205 °C, bleibt Helium wegen seiner besonders niedrigen Siedetemperatur gasförmig, während andere Bestandteile bereits flüssig sind.

Edelgase eignen sich dort, wo unerwünschte Reaktionen verhindert werden sollen. Argon hält beim Schweißen Luft vom heißen Metall fern. In einer Gasentladungsröhre regt elektrische Energie Gasatome an. Wenn sie in einen energieärmeren Zustand zurückkehren, senden sie Licht aus. Nicht jede umgangssprachliche „Neonröhre“ enthält wirklich Neon.

Sicherheit: Atme Helium oder andere reine Gase nicht absichtlich aus Ballons oder Druckbehältern ein. Dabei kann Sauerstoff verdrängt werden; das ist lebensgefährlich. Radon und seine Zerfallsprodukte sind radioaktiv.

„Reaktionsträge“ heißt nicht „reagiert niemals“. Unter geeigneten Bedingungen entstehen etwa Xenonfluoride wie \ce{XeF4} und \ce{XeF6} sowie Kryptondifluorid \ce{KrF2}. Auch Xenonoxide sind bekannt. Viele dieser Verbindungen sind reaktionsfreudiger oder weniger stabil als die elementaren Edelgase.