Referat über Edelgase – Word Dokument
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WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Name: Daniel Eibensteiner Klasse: 2AHWI Jahr: 2011/2012 Titel Edelgase Abbildung 1 Edelgase in Gasentladungsröhren document1 15.05.2016 Seite 1/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Inhaltsverzeichnis Inhalt Einleitung:................................................................................................................................................ 3 Gewinnung: ............................................................................................................................................. 3 Aufzählung: .............................................................................................................................................. 4 Helium (He): ........................................................................................................................................ 4 Neon (Ne): ........................................................................................................................................... 4 Argon (Ar): ........................................................................................................................................... 5 Krypton (Kr): ........................................................................................................................................ 6 Xenon (Xe): .......................................................................................................................................... 6 Radon (Rn): .......................................................................................................................................... 7 Ununoctium (Uuo):.............................................................................................................................. 7 Verwendung: ........................................................................................................................................... 8 Edelgasverbindungen: ............................................................................................................................. 9 Xenonverbindungen .................................................................................................................... 9 Verbindungen anderer Edelgase ............................................................................................... 10 Clathrate .................................................................................................................................... 10 Abblidungsverzeichnis: .......................................................................................................................... 11 document1 15.05.2016 Seite 2/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Einleitung: Edelgase sind Elemente, die man im Periodensystem (PE) ganz rechts findet. Es gibt insgesamt 7 Edelgase nämlich: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon und Ununoctium, wobei Ununoctium nur künstlich erzeugt werden kann. Sie haben alle ziemlich ähnliche Eigenschaften: Sie sind einatomige und unreaktive Gase. Das ergibt sich aus ihrem Aufbau, denn jedes Edelgas hat immer vollständig gefüllte Orbitale (Schalen) und ist daher sehr Reaktions-zäh. Darum gibt es fast ausschließlich nie Reaktionen mit Edelgasen. Gewinnung: Mit Ausnahme eines Großteils des Heliums und der radioaktiven Elemente erfolgt die Gewinnung der Edelgase ausschließlich aus der Luft. Sie fallen als Nebenprodukte bei der Gewinnung von Stickstoff und Sauerstoff im LindeVerfahren an. In der Haupt-Rektifikationskolonne (verfahrenstechnischer Apparat zur thermischen Trennung von Gemischen), in der Sauerstoff und Stickstoff getrennt werden, reichern sich die verschiedenen Edelgase an unterschiedlichen Stellen an. Sie können aber in eine eigene Kolonne überführt und dort von allen anderen Gasen getrennt werden. Während Argon leicht abgetrennt werden kann und nur von Stickstoff und Sauerstoff befreit werden muss, besteht bei Helium und Neon, aber auch bei Krypton und Xenon das Problem, dass diese sich zunächst zusammen anreichern und anschließend getrennt werden müssen. Dies kann über eine weitere Rektifikationskolonne oder auch durch unterschiedliche Adsorption der Gase an geeigneten Speichermedien erfolgen. Helium kann außer aus der Luft auch aus Erdgas gewonnen werden. Dieses ist, vor allem in den Vereinigten Staaten, die wichtigste Helium-Quelle. Von den anderen Bestandteilen des Erdgases kann es als Rohhelium entweder durch Ausfrieren aller anderen Gase oder durch Permeation an geeigneten Membranen getrennt werden. Anschließend muss das Helium noch durch Druckwechsel-Adsorption, chemische oder kryotechnische Verfahren von restlichen störenden Gasen wie Stickstoff oder Wasserstoff befreit werden. document1 15.05.2016 Seite 3/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Radon lässt sich auf Grund der kurzen Halbwertszeit nicht in größeren Mengen gewinnen. In kleinerem Maßstab dient Radium als Quelle, Radon entsteht beim Zerfall dieses Elements und gast aus einem entsprechenden Präparat aus. Ununoctium konnte als künstliches Element in wenigen Atomen durch Beschuss von Californium mit Calcium-Atomen erzeugt werden. Aufzählung: Helium (He): Helium ist, nach Wasserstoff, das zweithäufigste Element im Universum. Somit ist der größte Teil Helium schon beim Urknall entstanden. Das im Inneren von Sternen durch Fusion von Wasserstoff entstandene Helium entwickelte sich zum größten Teil weiter zu schwereren Elementen. Auf der Erde wird Helium in Form von Alphateilchen bei dem Alphazerfall verschiedener radioaktiver Elemente wie zum Beispiel Uran oder Radium gebildet. Helium entsteht daraus, wenn das Alphateilchen anderen Atomen zwei Elektronen entreißt. Der Großteil des auf der Erde vorhandenen Heliums ist daher nicht-stellaren Ursprungs. Das so entstandene Helium sammelt sich in natürlichen Erdgas-Vorkommen. Daher kann Helium durch Fraktionierte Destillation aus Erdgas gewonnen werden. Abbildung 2_Helium in Gasentladungsröhre Neon (Ne): Im Universum gehört Neon zu den häufigsten Elementen, auf der Erde ist es dagegen relativ selten, da wie bei Helium ein großer Teil des Gases in das document1 15.05.2016 Seite 4/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Weltall entwichen ist. Vorwiegend ist es in der Erdatmosphäre zu finden, nur geringe Mengen sind in Gesteinen eingeschlossen. Wie Krypton und Xenon wurde auch Neon 1898 von William Ramsay und Morris William Travers durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft entdeckt. Die bekannteste Anwendung sind die Leuchtröhren oder Neonlampen, in denen Neon durch Gasentladungen in einer typischen orangeroten Farbe zum Leuchten angeregt wird. Abbildung 3_Neon in Gasentladungsröhre Argon (Ar): Argon ist das häufigste auf der Erde vorkommende Edelgas, der Anteil an der Atmosphäre beträgt etwa 0,934 %. Damit ist Argon der dritthäufigste Bestandteil der Luft, nach Stickstoff und Sauerstoff. Argon war das erste Edelgas, das – nach der Entdeckung des Heliums im Sonnenspektrum – auf der Erde entdeckt wurde. Es wurde 1894 von Lord Rayleigh und William Ramsay durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gefunden. Als preiswertestes Edelgas wird Argon in großen Mengen als Schutzgas etwa beim Schweißen und in der Produktion von manchen Metallen, aber auch als Füllgas von Glühlampen verwendet. Abbildung 4_Argon in Gasentladungsröhre document1 15.05.2016 Seite 5/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Krypton (Kr): Krypton zählt zu den seltensten Elementen auf der Erde und kommt nur in geringen Mengen in der Atmosphäre vor. Das Edelgas wurde 1898 von William Ramsay und Morris William Travers durch fraktionierte Destillation flüssiger Luft entdeckt. Krypton wird auf Grund seiner Seltenheit nur in geringen Mengen, vor allem als Füllgas von Glühlampen, verwendet. Eine geringe Anzahl an Kryptonverbindungen ist bekannt, von denen Kryptondifluorid, eines der stärksten Oxidationsmittel, die bekannteste ist. Abbildung 5_Krypton in Gasentladungsröhre Xenon (Xe): Xenon ist das seltenste nichtradioaktive Element auf der Erde und kommt in geringen Mengen in der Atmosphäre vor. Trotz seiner Seltenheit kann es vielfach eingesetzt werden, so als Füllgas von Xenon-Gasentladungslampen, die unter anderem in Autoscheinwerfern (Xenonlicht) eingesetzt werden, und als Inhalationsanästhetikum. Das Edelgas wurde 1898 von William Ramsay und Morris William Travers durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft entdeckt. Xenon ist das Edelgas mit der umfangreichsten Chemie, es sind eine größere Anzahl Xenonverbindungen bekannt. Die stabilste ist dabei das Xenon-Fluorid, das als starkes Oxidations- und Fluorierungsmittel eingesetzt wird. Abbildung 6_Xenon in Gasentladungsröhre document1 15.05.2016 Seite 6/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Radon (Rn): Alle Isotope des Radons sind radioaktiv. Das stabilste Isotop ist 222Rn mit einer Halbwertzeit von 3,8 Tagen; es entsteht als Zerfallsprodukt aus Radium. Zwei andere natürliche Isotope, 219Rn und 220Rn, werden bisweilen mit ihren historischen Trivialnamen Actinon (An) bzw. Thoron (Tn) bezeichnet. Daneben hat Radon noch zwei weitere natürliche Isotope, die aus verschiedenen Gründen praktisch nicht in der Erdatmosphäre vorkommen. Da sich die drei relativ häufigen Isotope von Radon in Häusern (im Gegensatz zur natürlichen Umgebung) in schlecht belüfteten Räumen ansammeln können, stellen sie eine Gefahr für die Gesundheit und eine erhebliche Radonbelastung dar. Die hauptsächliche Gefahrenquelle ist letztlich nicht das Radon selbst, sondern seine Zerfallsprodukte, wobei Polonium-Isotope am meisten zur Belastung durch Alphastrahlung beitragen. Radon hat am gesamten Strahlungsaufkommen auf der Erdoberfläche den bei weitem größten Anteil, gefolgt von der direkten terrestrischen Strahlung, der direkten kosmischen Strahlung und den natürlicherweise in der Nahrung vorkommenden radioaktiven Stoffen. Ununoctium (Uuo): Ununoctium ist das bisher schwerste bekannte chemische Element. Der Name ist ein systematischer Elementname. Es wird auch als Eka-Radon mit dem Symbol Eka-Rn bezeichnet. Ununoctium ist radioaktiv und mit einer Halbwertszeit von 0,89 ms sehr kurzlebig. Ob es tatsächlich bei Raumtemperatur gasförmig ist, ist noch unbekannt. Derzeit ist dies Gegenstand aktueller theoretischer Diskussionen, weil über die chemischen Eigenschaften von Ununoctium bisher keine experimentellen Befunde existieren, da das Element lediglich indirekt anhand seiner typischen Zerfallsprodukte nachgewiesen wurde. Weil die chemischen Eigenschaften von Ununoctium möglicherweise von denen der Edelgase abweichen, könnte es in wässriger Lösung in Form von Oxiden und nichtatomar auftreten. document1 15.05.2016 Seite 7/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Verwendung: Edelgase finden ihre Verwendung vor allem als Schutzgas und als Füllgas von Lampen, besonders in Gasentladungslampen, in denen jedes Gas in einer eigenen Farbe leuchtet. Edelgase werden auf Grund ihrer geringen Reaktivität, der niedrigen Schmelzpunkte und der charakteristischen Farben bei Gasentladungen genutzt. Vor allem Argon und Helium werden im größeren Maßstab verwendet, die anderen Edelgase können nur in geringeren Mengen produziert werden und sind darum teurer. Die geringe Reaktivität wird in der Verwendung als Inert- bzw. Schutzgas beispielsweise beim Schutzgasschweißen und in der Produktion von bestimmten Metallen wie Titan oder Tantal ausgenutzt. Dafür wird vorwiegend das Argon immer dann eingesetzt, wenn der billigere, aber reaktivere Stickstoff nicht verwendet werden kann. Bei Gasentladungen gibt jedes Edelgas Licht einer charakteristischen Farbe ab. Bei Neon beispielsweise ist das emittierte Licht rot, bei Argon violett und bei Krypton oder Xenon blau. Dies wird in Gasentladungslampen ausgenutzt. Von besonderer Bedeutung ist dabei das Xenon, da das Spektrum einer XenonGasentladungslampe annähernd dem des Tageslichtes entspricht. Es wird darum auch in Autoscheinwerfern als „Xenonlicht“ verwendet. Auch Leuchtröhren basieren auf diesem Prinzip, nach dem ersten verwendeten Leuchtgas Neon werden sie auch Neonlampen genannt. Dagegen nutzen die umgangssprachlich „Neonröhren“ genannten Leuchtstofflampen kein Edelgas, sondern Quecksilberdampf als Leuchtmittel. Auch Glühlampen werden mit Edelgasen, häufig Krypton oder Argon, gefüllt. Dadurch ist die effektive Abdampfrate des Glühfadens geringer, was eine höhere Temperatur und damit bessere Lichtausbeute ermöglicht. Auf Grund der niedrigen Schmelz- und Siedepunkte sind Edelgase als Kühlmittel von Bedeutung. Hier spielt vor allem flüssiges Helium eine Rolle, da durch dieses besonders niedrige Temperaturen erreicht werden können. Müssen für eine Anwendung keine so niedrigen Temperaturen erreicht werden, wie sie flüssiges Helium bietet, können auch die höher siedenden Edelgase wie Neon verwendet werden. document1 15.05.2016 Seite 8/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Wie alle Gase wirken auch die Edelgase abhängig vom Druck durch Blockierung von Membranen in Nervenzellen narkotisierend. Die nötigen Drücke liegen aber bei Helium und Neon so hoch, dass sie nur im Labor erreicht werden können. Da sie daher keinen Tiefenrausch verursachen können, werden diese beiden Gase gemischt mit Sauerstoff („Heliox“ und „Neox“), auch mit Sauerstoff und Stickstoff („Trimix“) als Atemgase beim Tauchen verwendet. Mit diesen ist es möglich, größere Tiefen zu erreichen als bei der Nutzung von Luft. Xenon wirkt dagegen schon bei Umgebungsdruck narkotisierend. Wegen des hohen Preises und der geringen Verfügbarkeit wird es jedoch nur in geringem Maß verwendet. Helium ist Füll- und Traggas für Gasballone und Zeppeline. Neben Helium kann auch Wasserstoffverwendet werden, dieser ist zwar leichter und ermöglicht mehr Nutzlast, jedoch kann er mit dem Sauerstoff der Luft reagieren und brennen. Beim unreaktiven Helium besteht diese Gefahr nicht. Entsprechend ihrer Häufigkeit und Verfügbarkeit werden Edelgase in unterschiedlichen Mengen produziert. So betrug 1998 die Menge des hergestellten Argons etwa 2 Milliarden Kubikmeter, Helium wurde in einer Menge von rund 130 Millionen Kubikmeter produziert. Die Weltjahresproduktion an Xenon wird dagegen für 1998 auf nur 5000– 7000 Kubikmeter geschätzt. Entsprechend unterschiedlich sind die Preise der Gase: Argon kostet etwa 15 Euro pro Kubikmeter (unter Standardbedingungen, Laborqualität), Xenon 10 Euro pro Liter (Stand 1999). Edelgasverbindungen: Xenonverbindungen Die größte Vielfalt an Edelgasverbindungen gibt es mit dem Xenon. Die wichtigsten und stabilsten sind dabei die Xenonfluoride, die durch Reaktion von Xenon und Fluor in unterschiedlichen Verhältnissen synthetisiert werden. Alle Xenonoxide und Xenonoxifluoride sind instabil und vielfach explosiv. Auch Verbindungen des Xenons mit Stickstoff, Chlor und Kohlenstoff sind bekannt. Unter supersauren Bedingungen konnten auch Komplexe mit Metallen wie Gold oder Quecksilber synthetisiert werden. document1 15.05.2016 Seite 9/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK Verbindungen anderer Edelgase Von den anderen Edelgasen sind Verbindungen nur in geringer Zahl bekannt. So sollten Radonverbindungen zwar ähnlich stabil wie Xenonverbindungen sein, aufgrund der starken Radioaktivität und kurzen Halbwertszeit der RadonIsotope aber ist ihre Synthese und exakte Charakterisierung außerordentlich schwierig. Vermutet wird die Existenz eines stabilen Radon(II)-fluorids, da Radon nach dem Durchleiten durch flüssiges Chlortrifluorid nicht mehr nachweisbar ist, somit reagiert haben muss. Löst man die Rückstände dieser Lösung in Wasser oder Säuren, bilden sich als Zersetzungsprodukte Sauerstoff und Fluorwasserstoff im gleichen Verhältnis wie bei Krypton- oder Xenondifluorid. Alle bekannten Verbindungen leichterer Edelgase sind instabil, zersetzen sich leicht und lassen sich, wenn überhaupt, deshalb nur bei tiefen Temperaturen synthetisieren. Die wichtigste und stabilste Kryptonverbindung ist Krypton(II)fluorid, das zu den stärksten bekannten Oxidations- und Fluorierungsmitteln zählt. Krypton(II)-fluorid ist direkt aus den Elementen herstellbar und Ausgangsprodukt einer Reihe weiterer Kryptonverbindungen. Während Helium- und Neonverbindungen weiterhin allein Gegenstand theoretischer Untersuchungen sind und Rechnungen ergaben, dass allenfalls eine Heliumverbindung, dagegen keine einzige Neonverbindung stabil sein sollte, konnte eine erste Argonverbindung inzwischen tatsächlich synthetisiert werden: Durch Photolyse von Fluorwasserstoff in einer auf 7,5 Kelvin heruntergekühlten Argonmatrix konnte das sehr instabile Argonfluorohydrid gebildet werden, das schon bei Berührung zweier Moleküle oder Erwärmung über 27 Kelvin wieder in seine Bestandteile zerfällt. Clathrate Argon, Krypton und Xenon bilden Clathrate, Einschlussverbindungen, bei denen das Edelgas physikalisch in einen umgebenden Feststoff eingeschlossen ist. Typische Beispiele hierfür sind Edelgas-Hydrate, bei denen die Gase in Eis eingeschlossen sind. Ein Argon-Hydrat bildet sich langsam erst bei document1 15.05.2016 Seite 10/11 WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN Ausbildungsschwerpunkte: MASCHINENBAU - LOGISTIK −183 °C, Hydrate des Kryptons und Xenons schon bei −78 °C. Auch mit anderen Stoffen wie Hydrochinon sind Edelgas-Clathrate bekannt. Abblidungsverzeichnis: Abbildung 1 Edelgase in Gasentladungsröhren ......................................................................... 1 Abbildung 2_Helium in Gasentladungsröhre ............................................................................. 4 Abbildung 3_Neon in Gasentladungsröhre ................................................................................ 5 Abbildung 4_Argon in Gasentladungsröhre ............................................................................... 5 Abbildung 5_Krypton in Gasentladungsröhre ............................................................................ 6 Abbildung 6_Xenon in Gasentladungsröhre .............................................................................. 6 document1 15.05.2016 Seite 11/11
