Vorkommen, Gewinnung und Verwendung der Edelgase
Wo die Edelgase vorkommen, wie man sie aus Luft und Erdgas gewinnt und wofür Argon und Xenon eingesetzt werden.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) kommen in der Natur elementar als einzelne Atome vor, alle als Bestandteile der Luft.
- Argon ist mit 0,93 Vol.-% das häufigste Edelgas der Luft und hat den höchsten Volumenanteil, die höchste Konzentration und den höchsten Partialdruck. Es entsteht aus dem Zerfall von \(\ce{^{40}K}\).
- Neon, Argon, Krypton und Xenon gewinnt man durch fraktionierte Destillation verflüssigter Luft. Xenon ist ein Nebenprodukt und reichert sich mit Krypton im flüssigen Sauerstoff im Sumpf an.
- Helium gewinnt man technisch aus heliumreichen Erdgasen, nicht aus Luft. Kein Edelgas wird durch Reduktion von Oxiden gewonnen.
- Argon dient als inertes, dichtes Schutzgas im Labor, Xenon ist als Inhalationsnarkotikum einsetzbar.
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Worum es geht
Die Edelgase kommen in der Natur ausschließlich als freie Atome vor. Ihr Aufbau und ihre physikalischen Eigenschaften sind unter Elektronenkonfiguration und Eigenschaften der Edelgase erklärt. Hier geht es darum, wo sie vorkommen, wie man sie technisch gewinnt und wofür man sie braucht, vom Argon als Schutzgas im Labor bis zum Narkosegas Xenon.
Vorkommen in der Luft
Edelgase liegen in der Natur elementar vor, als einzelne Atome. Ihre abgeschlossene Valenzschale macht sie so reaktionsträge, dass sie auf der Erde keine Verbindungen bilden. Man findet sie also nicht als Halogenide oder andere Salze, sondern als freie Gase. Alle Edelgase sind Bestandteile der Luft. Radon kommt nur in Spuren und stark schwankend vor. Es wird aus dem Zerfall von Radium im Gestein ständig nachgeliefert und zerfällt selbst rasch.
Das mit Abstand häufigste Edelgas der Luft ist Argon mit 0,93 Vol.-%. Es steht damit nach Stickstoff und Sauerstoff an dritter Stelle aller Luftbestandteile, noch vor Kohlendioxid. Neon, Helium, Krypton und Xenon folgen erst im ppm-Bereich, wie die logarithmische Darstellung zeigt.
Der hohe Argonanteil hat seinen Ursprung im Gestein. Ein Teil des Kaliumisotops \(\ce{^{40}K}\) zerfällt seit Milliarden Jahren durch Elektroneneinfang zu \(\ce{^{40}Ar}\):
\[\ce{^{40}_{19}K + e- -> ^{40}_{18}Ar}\]
Das so gebildete Argon reichert sich in der Atmosphäre an. Auch Helium entsteht laufend, nämlich als α-Teilchen beim Zerfall von Uran und Thorium. Als leichtestes Gas entweicht es aber aus der Atmosphäre ins All. In der Luft bleibt es deshalb selten. Unter dichten Gesteinsschichten sammelt es sich dagegen in Erdgaslagerstätten.
Für ideale Gase entspricht der Volumenanteil dem Stoffmengenanteil. Argon hat unter den Edelgasen deshalb zugleich den höchsten Volumenanteil, die höchste Konzentration und den höchsten Partialdruck. Den Partialdruck liefert das Daltonsche Gesetz \(p_i = x_i \cdot p_{\text{ges}}\). Darin ist \(p_i\) der Partialdruck des Gases, \(x_i\) sein Stoffmengenanteil und \(p_{\text{ges}}\) der Gesamtdruck. Auf einem Berg mit 800 hPa Luftdruck gilt etwa \(p(\text{Ar}) = 0{,}0093 \cdot 800\ \text{hPa} \approx 7{,}5\ \text{hPa}\).
| Edelgas | Volumenanteil in trockener Luft | Partialdruck bei 1013 hPa |
|---|---|---|
| Argon | 0,93 % | 9,4 hPa |
| Neon | 18 ppm | 0,018 hPa |
| Helium | 5 ppm | 0,005 hPa |
| Krypton | 1 ppm | 0,001 hPa |
| Xenon | 0,09 ppm | 0,00009 hPa |
| Radon | Spuren | stark schwankend |
Examensklassiker: Das häufigste Edelgas der Erdatmosphäre ist Argon, nicht Helium. Ob man Volumenanteil, Konzentration oder Partialdruck vergleicht, vorn liegt immer Argon, denn bei Gasen sind alle drei Größen zueinander proportional.
Elementar vorkommend heißt nicht Reinelement. Ein Reinelement besteht in der Natur aus nur einem Isotop. Die Edelgase sind Mischelemente, Argon etwa ist ein Gemisch aus \(\ce{^{40}Ar}\) (99,6 %), \(\ce{^{36}Ar}\) und \(\ce{^{38}Ar}\).
Technische Gewinnung
Weil die Edelgase schon elementar vorliegen, ist ihre Gewinnung ein reines Trennproblem. Eine chemische Umsetzung wie die Reduktion von Oxiden entfällt. Edelgasoxide kommen in der Natur gar nicht vor. Die wenigen bekannten Verbindungen des Xenons sind Laborprodukte, mehr dazu unter Edelgasverbindungen.
Für Neon, Argon, Krypton und Xenon ist die Luft die Quelle. Man trennt sie im Linde-Verfahren ab, das zugleich Sauerstoff und Stickstoff liefert.
Trennverfahren, bei dem Luft durch Verdichten, Kühlen und Entspannen verflüssigt und dann in einer Kolonne nach Siedepunkten zerlegt wird. Tiefer siedende Bestandteile reichern sich oben im Dampf an, höher siedende unten in der Flüssigkeit.
- Reinigen: Staub, Wasserdampf und \(\ce{CO2}\) werden entfernt, weil sie in der Kälte ausfrieren und Leitungen verstopfen würden.
- Verdichten: Kompressoren erhöhen den Druck, die Kompressionswärme wird abgeführt.
- Vorkühlen: Im Wärmetauscher gibt die einströmende Luft Wärme an das kalte Produktgas ab.
- Entspannen: Beim Entspannen kühlt sich das Gas weiter ab (Joule-Thomson-Effekt), bis ein Teil flüssig wird.
- Rektifizieren: In der Doppelkolonne verdampft und kondensiert das Gemisch auf vielen Böden immer wieder und trennt sich so nach Siedepunkten.
Entscheidend sind die Siedepunkte bei Normaldruck. Stickstoff siedet bei −196 °C und steigt zum Kopf der Kolonne. Sauerstoff siedet bei −183 °C und läuft in den Sumpf. Argon liegt mit −186 °C knapp dazwischen.
Daraus ergeben sich die Abzugsstellen der Anlage. Argon zieht man seitlich in der Mitte als Rohargon ab und befreit es anschließend vom restlichen Sauerstoff. Krypton und Xenon sieden viel höher und reichern sich deshalb im flüssigen Sauerstoff im Sumpf an. Neon und Helium kondensieren bei diesen Temperaturen nicht und sammeln sich als Restgas am Kopf.
Xenon ist damit ein Nebenprodukt der Luftzerlegung. Da die Luft nur 0,09 ppm Xenon enthält, muss man riesige Luftmengen verarbeiten. Das macht Xenon zum teuersten der stabilen Edelgase.
Helium bildet die Ausnahme. Mit 5 ppm ist es in der Luft zu stark verdünnt, um es dort wirtschaftlich abzutrennen. Man gewinnt es technisch aus heliumreichen Erdgasen, die einige Prozent Helium enthalten können. Beim Abkühlen kondensieren Methan, die übrigen Kohlenwasserstoffe und Stickstoff. Helium bleibt als einziger Bestandteil gasförmig zurück.
Diese Zuordnung ist ein Dauerbrenner im Examen: Helium stammt aus Erdgas, Neon, Krypton und Xenon stammen aus flüssiger Luft, und kein Edelgas entsteht durch Reduktion eines Oxids.
- Neon, Argon, Krypton, Xenon
- fraktionierte Destillation verflüssigter Luft
- liefert zugleich Stickstoff und Sauerstoff
- Helium
- Tieftemperaturtrennung heliumreicher Erdgase
- Helium stammt aus radioaktivem Zerfall im Gestein
Verwendung
Die Verwendung der Edelgase folgt aus ihrer Reaktionsträgheit und aus physikalischen Besonderheiten der einzelnen Elemente. Die Tabelle ordnet die wichtigsten Einsatzgebiete.
| Edelgas | Verwendung | genutzte Eigenschaft |
|---|---|---|
| Helium | Kühlmittel für supraleitende Magnete in NMR-Spektrometern und MRT, Ballongas | tiefster Siedepunkt, geringe Dichte, unbrennbar |
| Neon | Leuchtröhren | rotes Leuchten in der Gasentladung |
| Argon | Schutzgas im Labor und beim Schweißen, Füllgas von Glühlampen | inert, billig, dichter als Luft |
| Xenon | Inhalationsnarkotikum, Hochdrucklampen | narkotische Wirkung, helles Licht |
Argon ist das wichtigste Schutzgas. Es ist inert und fällt als häufigstes Edelgas bei der Luftzerlegung billig in großen Mengen an. Im Labor überlagert man damit luft- und feuchtigkeitsempfindliche Reagenzien, etwa Grignard- oder Organolithiumverbindungen. Mit 1,78 g/L ist Argon dichter als Luft mit 1,29 g/L (jeweils bei 0 °C). Es legt sich deshalb wie eine Decke über den Kolbeninhalt.
Anders als Stickstoff reagiert Argon auch mit Lithium nicht. Stickstoff bildet mit Lithium schon bei Raumtemperatur Lithiumnitrid:
\[\ce{6 Li + N2 -> 2 Li3N}\]
Für solche Arbeiten ist Argon das Schutzgas der Wahl.
Xenon ist als Inhalationsnarkotikum einsetzbar. Es hemmt vor allem NMDA-Rezeptoren. Weil es sich nur wenig im Blut löst, setzt die Narkose schnell ein und klingt schnell wieder ab. Der Körper verstoffwechselt Xenon nicht, sondern atmet es unverändert ab. Gegen einen breiten Einsatz spricht vor allem der hohe Preis, eine direkte Folge der aufwendigen Gewinnung aus der Luft.
Quiz
Aussage 1
Helium ist das häufigste Edelgas der Erdatmosphäre, weil es ständig beim radioaktiven Zerfall entsteht.
Helium entsteht zwar laufend, entweicht als leichtestes Gas aber ins All und macht nur etwa 5 ppm aus. Das häufigste Edelgas ist Argon.
Aussage 2
Edelgase werden technisch durch Reduktion ihrer Oxide gewonnen.
Edelgase liegen elementar vor, ihre Gewinnung ist ein reines Trennverfahren aus Luft oder Erdgas. Edelgasoxide kommen in der Natur nicht vor.
Aussage 3
Argon eignet sich als Schutzgas im Labor auch deshalb, weil es dichter als Luft ist und sich über den Kolbeninhalt legt.
Argon ist mit 1,78 g/L dichter als Luft (1,29 g/L), inert und billig. Anders als Stickstoff reagiert es auch nicht mit Lithium.
Aussage 4
Unter den Edelgasen besitzt Argon in der Luft den höchsten Partialdruck.
Argon hat mit 0,93 Vol.-% den höchsten Stoffmengenanteil aller Edelgase und damit nach Dalton auch den höchsten Partialdruck (rund 9,4 hPa bei 1013 hPa).
Aussage 5
Helium wird technisch überwiegend durch Luftzerlegung nach Linde gewonnen.
Helium gewinnt man aus heliumreichen Erdgasen. Aus der Luft gewinnt man Neon, Argon, Krypton und Xenon.
Aussage 6
Xenon fällt als Nebenprodukt der fraktionierten Destillation verflüssigter Luft an.
Xenon reichert sich wegen seines hohen Siedepunkts mit Krypton im flüssigen Sauerstoff im Sumpf der Kolonne an und wird daraus abgetrennt.
Aussage 7
Xenon lässt sich als Inhalationsnarkotikum einsetzen.
Xenon wirkt narkotisch, vor allem über eine Hemmung von NMDA-Rezeptoren, und wird unverändert abgeatmet. Sein breiter Einsatz scheitert vor allem am Preis.
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