6. Edelgase. Gliederung. 6.1 Ursprung und physikalische Eigenschaften

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1 Gliederung 6. Edelgase 6.1 Ursprung und physikalische Eigenschaften 6.2 Gewinnung 6.3 Edelgasverbindungen 6.4 Das VSEPR Modell 6.5 Verwendung 6.6 Gasentladungslampen Xe-NMR-Spektroskopie Folie 65

2 6.1 Vorkommen und physikalische Eigenschaften Edelgase sind inerte, farb-, geruch- und geschmacklose einatomige Gase, die in Sternen und in der Atmosphäre vorkommen He Helios (Sonne) Kernfusion Ne Neos (neu) Kernfusion Ar Argos (träge) 40 K + e - (K-Einfang) 40 Ar Kr Kryptos (verborgen) 235 U 90 Kr Ba + n Xe Xenos (fremd) Rn Radius (Strahl) 226 Ra 222 Rn + 4 He Edelgas Elektronenkonfiguration T m [ C] T b [ C] IE [ev] [kj/mol] Vol-% in Luft He 1s Ne [He]2s 2 2p Ar [Ne]3s 2 3p ! Kr [Ar]3d 10 4s 2 4p Xe [Kr]4d 10 5s 2 5p Rn [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 6p Folie 66

3 Aus Erdgas und Luft 6.2 Gewinnung He: aus Erdgas (bis zu 7 Vol-%! radioaktiver Zerfall von U und Th im Erdinnern) Rn: aus dem Zerfall von Ra-Salzen Ne, Ar, Kr, Xe: Durch Fraktionierung verflüssigter Luft (Linde-Verfahren) Vorgehen 1. Verflüssigung g Rektifikation 1. Fraktion: He/Ne/N 2 2. Fraktion: N 2 /Ar 3. Fraktion: Ar/O 2 4. Fraktion: O 2 /Kr/Xe 3. Entfernung von O 2 und N 2 durch chemische Methoden Folie 67

4 6.3 Edelgasverbindungen Das Dogma, dass Edelgase keine Verbindungen eingehen, gilt nicht für Kr, Xe und Rn (Neil Bartlett, Rudolf Hoppe 1962) Die Ionisierungsenergie von Krypton und Xenon ist gering genug, dass Reaktion mit einem starken Oxidationsmittel (F 2 ) möglich ist Kr + F 2 Xe + F 2 Xe + 2 F 2 Xe + 3 F 2 KrF 2 (linear, metastabil) XeF 2 (linear) XeF 4 (quadratisch-planar) XeF 6 (verzerrt oktaedrisch) XeF 6 + H 2 O 2 HF + XeOF 4 (quadratisch-pyramidal) XeOF H 2 O 4 HF + XeO 3 (trigonal-pyramidal) 2 XeO OH - XeO Xe + O H 2 O Ba 2 XeO H 2 SO 4 2 BaSO H 2 O + XeO 4 (tetraedrisch) Folie 68

5 6.4 Das VSEPR Modell Das Valence Shell Electron Pair Repulsion Modell besagt, dass sich Elektronenpaare abstoßen und deshalb so weit wie möglich voneinander entfernt anordnen Anzahl der Valenzelektronenpaare Anordnung Beispiel bindend frei der Atome 2 0 linear BeCl trigonal-planar BF gewinkelt NO tetraedrisch CH trigonal-pyramidal id l NH gewinkelt H 2 O g 2 Folie 69

6 6.4 Das VSEPR Modell Anzahl der Valenzelektronenpaare Anordnung Beispiel bindend frei der Atome 5 0 trigonal-bipyramidal PF wippenförmig SF T-förmig BrF linear XeF oktaedrisch SF quadratisch-pyramidal id IF quadratisch-planar XeF 4 Folie 70

7 Die vier VSEPR Regeln 6.4 Das VSEPR Modell Nitrylkation Stickstoffdioxid Nitritanion 1. Bindende und nicht bindende Elektronenpaare versuchen sich wegen ihrer gegenseitigen Abstoßung möglichst weit voneinander zu entfernen (mehrfach- bindende Elektronenpaare brauchen nicht berücksichtigt werden, d.h. Doppelund Dreifachbindungen werden als Einheit betrachtet). 2. Die Abstoßungskraft einer Einfachbindung ist kleiner als die eines freien Elektronenpaares oder einer Mehrfachbindung. 3. Die Abstoßungskraft einer ZL-Bindung erniedrigt sich mit wachsendem Elektronegativitätsunterschied von Z und L. 4. Die gegenseitige elektronische und sterische Abstoßungskraft negativ polarisierter Liganden in ZL n wächst mit abnehmenden Radius von Z bzw. mit zunehmenden Radius von L. Folie 71

8 6.5 Verwendung In Lichtquellen, Excimer-Laser, Ballone, Atemgas, als Schutzgas, Kühlmittel, Lichtquellen Ar, Kr, Xe in Glühlampen Ar, Ne, Kr, Xe in Gasentladungslampen 2. Excimer-Laser und Plasmabildschirme Ar 2 * 2 Ar + h (126 nm) Kr 2 * 2 Kr + h (146 nm) Xe 2 * 2 Xe + h (172 nm) 3. Füllung von Ballonen Geringe Dichte von He ~ g/l 4. Atemgas He-O 2 Atemgas für Tieftaucher (He löst sich schlechter in Blut als N 2 ) Folie 72

9 6.6 Gasentladungslampen Lichterzeugung basiert auf der Emission angeregter Atome, wie Hg, Na, oder den Edelgasen in der Gasphase Prinzip der Lichterzeugung Kathode e - e - + A A e - A + + e - A* A* A + h UV h UV + Leuchtstoff In Leuchtstofflampen h visible Glasrohr Leuchtstoff Nutzbares Spektrum Hg Atom Atomare Hg Emission Elektrode Elektronen wird 3-5 mg flüssiges Hg eingefüllt, das während des Betriebs gasförmig vorliegt Kappe Leuchtstoffe: Anorganische Festkörperverbindungen BaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ LaPO 4 :Ce 3+,Tb 3+ Y 2 O 3 :Eu 3+ Oxide, Sulfide, Nitride Sr 5 (PO 4 ) 3 Cl:Eu 2+ CeMgAl 11 O 19 :Tb 3+ GdMgB 5 O 10 :Ce 3+ Tb 3+ Mn 2+ Folie 73

10 Einsatz in der Chemie und Medizin Xe-NMR-Spektroskopie Medizin Kontrasterhöhung in Kernspin-Tomographie Untersuchungen Verbesserte Bildgebung g von Gefäßen, inneren Organen, Körperhohlräumen (Lunge) Chemie Strukturaufklärung von komplexen Molekülen Folie 74

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