Edelgassen: de luie elementen van groep 18

Lange tijd heetten edelgassen ook inerte gassen: men dacht dat ze helemaal nooit reageerden. Sinds 1962 weten we dat xenon en krypton onder extreme omstandigheden wel verbindingen vormen. Toch blijven de edelgassen de minst reactieve groep van het periodiek systeem. Juist die luiheid maakt ze nuttig: argon beschermt een lasnaad, helium vult ballonnen zonder brandgevaar, neon geeft licht zonder te verbranden. Waar groep 18 in het geheel past, staat in groepen en perioden.

De zeven edelgassen in een tabel

Twee dingen vallen op. Het kookpunt stijgt van boven naar beneden: grotere atomen hebben meer elektronen en daardoor sterkere vanderwaalskrachten tussen de atomen. Helium heeft het laagste kookpunt van alle stoffen, 4,2 kelvin; het wordt bij gewone druk zelfs bij het absolute nulpunt niet vast. En argon is veruit het meest voorkomende edelgas: bijna 1% van de lucht die je inademt, ruim twintig keer zoveel als koolstofdioxide.

Waarom reageren edelgassen niet? De octetregel

Chemische reacties draaien om de valentie-elektronen, de elektronen in de buitenste schil. Bij de edelgassen is die schil vol:

Acht elektronen in de buitenste schil (bij helium twee, want de eerste schil is dan al vol) is een energetisch zeer gunstige toestand. Een edelgasatoom wint niets bij het afstaan, opnemen of delen van elektronen, en de ionisatie-energie is zo hoog dat het afstaan veel energie kost. Helium heeft de hoogste ionisatie-energie van alle elementen.

Andere atomen proberen juist zo’n edelgasconfiguratie te bereiken; dat heet de octetregel. Natrium (2, 8, 1) staat één elektron af en wordt Na⁺ met de verdeling van neon. Chloor (2, 8, 7) neemt er één op en wordt Cl⁻ met de verdeling van argon. Zo ontstaat keukenzout. Bij een atoombinding delen atomen elektronen tot ze allebei op acht uitkomen. Dat mechanisme staat uitgewerkt in chemische bindingen; de schillen zelf in atoomstructuur.

Edelgasverbindingen: xenon reageert toch

In 1962 liet de Brits-Canadese chemicus Neil Bartlett xenon reageren met platinahexafluoride, PtF₆. Het was de eerste edelgasverbinding en een kleine revolutie. Kort daarna volgden de xenonfluoriden:

Waarom juist xenon? Het is een groot atoom: de buitenste elektronen zitten ver van de kern en worden afgeschermd door vier binnenschillen. De ionisatie-energie (1170 kJ/mol) is daardoor veel lager dan die van helium of neon. Alleen fluor en zuurstof, de twee meest elektronegatieve elementen, zijn sterk genoeg om toch elektronen naar zich toe te trekken. Krypton vormt met moeite KrF₂; van argon is alleen HArF bekend, dat uitsluitend bij zeer lage temperatuur bestaat. Van helium en neon zijn geen stabiele neutrale verbindingen bekend. Radon zou goed moeten reageren, maar is zo radioactief dat er nauwelijks onderzoek aan gedaan wordt.

Kleuren in een gasontladingsbuis

Als je een hoge spanning zet over een buis met een edelgas onder lage druk, gaan de atomen licht uitzenden. Elektronen springen naar een hogere schil en vallen terug, waarbij ze licht van precies bepaalde kleuren uitzenden: het lijnenspectrum (zie het atoommodel van Bohr en spectrum). Elk edelgas heeft zijn eigen kleur:

• neon: oranjerood, de klassieke ‘neonreclame’;
• argon: paarsblauw;
• helium: roze-oranje;
• krypton: witachtig violet;
• xenon: blauwachtig wit, vandaar het felle licht van xenonkoplampen.

Blauwe, groene of witte ‘neon’buizen bevatten vaak argon met een beetje kwik, en een fluorescerende laag op het glas die de kleur bepaalt. Helium werd overigens eerst in de zon ontdekt, in 1868, via een onbekende gele lijn in het zonnespectrum; de naam komt van het Griekse helios, zon.

De ontdekking: een kolom die ontbrak

Toen Mendelejev in 1869 zijn periodiek systeem publiceerde, kende niemand de edelgassen. Ze reageren niet en vallen dus nergens op. In 1894 merkte Lord Rayleigh dat stikstof uit lucht iets zwaarder was dan stikstof uit een chemische reactie. Samen met William Ramsay ontdekte hij de oorzaak: een onbekend gas dat met niets reageerde. Ze noemden het argon, naar het Griekse woord voor ‘lui’. Ramsay vond in 1895 helium op aarde, in een uraniumerts, en in 1898 volgden neon (‘nieuw’), krypton (‘verborgen’) en xenon (‘vreemd’) uit vloeibare lucht. Radon werd rond 1900 ontdekt als gas dat vrijkomt uit radium. Voor al deze elementen werd een nieuwe kolom aan het systeem toegevoegd, en ze pasten er precies in. Ramsay kreeg in 1904 de Nobelprijs voor scheikunde, Rayleigh die voor natuurkunde.

Hoe worden edelgassen gewonnen?

Neon, argon, krypton en xenon worden gewonnen uit lucht. Lucht wordt afgekoeld tot hij vloeibaar is en daarna gefractioneerd gedestilleerd: elk gas verdampt weer bij zijn eigen kookpunt. Argon komt zo als bijproduct van de productie van zuurstof en stikstof in grote hoeveelheden vrij. Krypton en xenon zijn zeldzaam en dus duur.

Helium is een uitzondering. Het is zo licht dat het uit de atmosfeer de ruimte in ontsnapt. Het helium dat we gebruiken komt uit aardgasvelden, waar het zich miljoenen jaren heeft opgehoopt als product van alfaverval van uranium en thorium in de aardkorst: een alfadeeltje is een heliumkern. Omdat die voorraad niet aanvult, geldt helium als een eindige grondstof.

Radon en je gezondheid

Radon is het enige edelgas dat in ons dagelijks leven een gevaar vormt. Het ontstaat in de bodem en in bouwmaterialen als tussenstap in de vervalreeks van uranium-238, via radium-226. Radon-222 heeft een halfwaardetijd van 3,8 dagen. Omdat het een gas is dat met niets reageert, sijpelt het uit de grond en uit beton en steen het huis in.

Het gevaar zit vooral in de vervalproducten: radioactieve deeltjes van polonium, lood en bismut die zich aan stofdeeltjes hechten. Die adem je in en ze blijven in je longen achter, waar ze alfastraling uitzenden. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie is radon na roken de belangrijkste oorzaak van longkanker. Voor rokers is het risico extra groot, omdat beide effecten elkaar versterken.

In Nederland zijn de radonconcentraties in huizen meestal laag. In België speelt het meer, vooral in delen van Wallonië (de Ardennen), waar de bodem rijker is aan uranium. Europese regels hanteren een referentieniveau van 300 becquerel per kubieke meter binnenlucht. Het belangrijkste middel tegen radon is eenvoudig: goed ventileren, vooral in kelders en op de begane grond. Meer over radioactiviteit lees je in de begrippenlijst.

Veelgestelde vragen

Verder lezen