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Textaufgaben: Edelgase und Edelgasregel

Zwei Aufgaben aus Werkstatt und Labor, in denen die volle Außenschale den Ausschlag gibt.

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Argon als Schutzgas

AFB I–II

In einer Schlosserei werden Edelstahlrohre verschweißt. Damit das glühend heiße Metall nicht mit dem Sauerstoff der Luft reagiert, strömt aus der Düse des Schweißbrenners ständig Argon über die Schweißstelle. Argon gewinnt man aus der Luft.

Zusammensetzung trockener Luft (Volumenanteile, gerundet)
GasVolumenanteil
Stickstoff78,08 %
Sauerstoff20,95 %
Argon0,93 %
Kohlenstoffdioxid0,04 %
Neon, Helium, Krypton, Xenonzusammen unter 0,003 %

Die Werkstatt ist 12 m lang, 8 m breit und 3 m hoch; die Temperatur beträgt 20 °C. Molares Volumen bei 20 °C: \(V_m\approx 24\,\tfrac{\mathrm{L}}{\mathrm{mol}}\); molare Masse von Argon: \(M(\mathrm{Ar})=40\,\tfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}\).

  1. Nenne die Anzahl der Valenzelektronen eines Argonatoms und seine Schalenbelegung.
  2. Erkläre mithilfe des Schalenmodells, warum Argon das heiße Metall beim Schweißen schützt.
  3. Berechne die Masse des Argons, das in der Luft der Werkstatt enthalten ist.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Argon hat die Ordnungszahl 18 und steht in der VIII. Hauptgruppe und der 3. Periode.
Hinweis zu Aufgabe b)
Zwei Gedanken: Was macht das Argon mit der Luft an der Schweißstelle — und warum reagiert es selbst nicht?
Hinweis zu Aufgabe c)
Rechenweg: Raumvolumen → Argonvolumen (0,93 %) → Stoffmenge über \(n=\dfrac{V}{V_m}\) → Masse über \(m=n\cdot M\). Achte auf 1 m³ = 1000 L.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Ein Argonatom hat 8 Valenzelektronen. Schalenbelegung der 18 Elektronen: 2 · 8 · 8.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die Außenschale des Argonatoms ist mit 8 Elektronen voll besetzt (Edelgaskonfiguration). Argonatome haben deshalb keine Tendenz, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen, und reagieren auch mit glühendem Metall nicht.

Das ausströmende Argon verdrängt die Luft von der Schweißstelle. So kommt kein Sauerstoff an das heiße Metall, das sonst oxidiert würde.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

\(V(\text{Luft})=12\,\mathrm{m}\cdot 8\,\mathrm{m}\cdot 3\,\mathrm{m}=288\,\mathrm{m^3}=288\,000\,\mathrm{L}\)

\(V(\mathrm{Ar})=0{,}0093\cdot 288\,000\,\mathrm{L}\approx 2678\,\mathrm{L}\)

\(n(\mathrm{Ar})=\dfrac{2678\,\mathrm{L}}{24\,\mathrm{L/mol}}\approx 111{,}6\,\mathrm{mol}\)

\(m(\mathrm{Ar})=111{,}6\,\mathrm{mol}\cdot 40\,\mathrm{g/mol}\approx 4464\,\mathrm{g}\approx 4{,}5\,\mathrm{kg}\)

Die Luft der Werkstatt enthält rund 4,5 kg Argon.

2

Die 4. Periode unter der Lupe

AFB II–III

Lena untersucht die Hauptgruppenelemente der 4. Periode. Sie will wissen, welche Elektronenanordnung die Atome von Kalium, Calcium, Arsen und Brom nach der Edelgasregel anstreben.

Hauptgruppenelemente der 4. Periode
Hauptgruppe I19K II20Ca III31Ga IV32Ge V33As VI34Se VII35Br VIII36Kr oben: Ordnungszahl · Mitte: Symbol
Rot umrandet: die vier Elemente aus Aufgabe a).

Ihr Mitschüler Tim behauptet: „Wenn ein Kaliumatom ein Elektron abgibt, wird daraus ein Argonatom.“

1962 gelang dem Chemiker Neil Bartlett die erste Verbindung eines Edelgases; kurz darauf wurde auch Xenondifluorid (XeF2) hergestellt. Helium und Neon bilden dagegen bis heute keine beständigen Verbindungen.

  1. Ermittle für Kalium, Calcium, Arsen und Brom, wie viele Elektronen die Atome abgeben oder aufnehmen, und gib jeweils das erreichte Edelgas an.
  2. Vergleiche die Elektronenzahlen der vier Teilchen nach dem Umbau miteinander und mit ihren Protonenzahlen.
  3. Überprüfe Tims Aussage.
  4. Beurteile die Aussage „Edelgase reagieren grundsätzlich nie.“

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Hauptgruppe = Zahl der Valenzelektronen. Vergleiche den Weg „abgeben bis zur vollen Schale darunter“ mit „aufnehmen bis 8“.
Hinweis zu Aufgabe b)
Lege eine kleine Tabelle an: Protonen, Elektronen vorher, Elektronen nachher.
Hinweis zu Aufgabe c)
Wodurch ist festgelegt, um welches Element es sich handelt?
Hinweis zu Aufgabe d)
Unterscheide zwischen „fast nie unter normalen Bedingungen“ und „grundsätzlich nie“. Welche Edelgase sind betroffen, mit welchem Partner?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Kalium (I): 1 Elektron abgeben → 18 Elektronen wie Argon.
Calcium (II): 2 Elektronen abgeben → 18 Elektronen wie Argon.
Arsen (V): 3 Elektronen aufnehmen → 36 Elektronen wie Krypton.
Brom (VII): 1 Elektron aufnehmen → 36 Elektronen wie Krypton.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Kalium- und Calciumteilchen haben danach beide 18 Elektronen, Arsen- und Bromteilchen beide 36. Je zwei Teilchen verschiedener Elemente haben also dieselbe Elektronenanordnung.

Die Protonenzahlen bleiben unverändert (19, 20, 33, 35). Bei Kalium und Calcium gibt es danach mehr Protonen als Elektronen, bei Arsen und Brom weniger.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Tims Aussage ist falsch. Nach der Abgabe hat das Teilchen zwar 18 Elektronen und damit die Elektronenanordnung von Argon (2 · 8 · 8). Der Kern enthält aber weiterhin 19 Protonen — die Protonenzahl legt das Element fest, es bleibt also Kalium. Ein Argonatom hat dagegen 18 Protonen und 18 Elektronen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist zu absolut. Edelgase sind wegen ihrer voll besetzten Außenschale extrem reaktionsträge; unter Alltagsbedingungen reagieren sie tatsächlich nicht.

Die schweren Edelgase wie Xenon bilden aber unter besonderen Bedingungen mit Fluor, dem reaktionsfreudigsten Element, Verbindungen (XeF2). Richtig wäre: „Edelgase sind sehr reaktionsträge; Helium und Neon bilden keine beständigen Verbindungen.“ Die Edelgasregel ist ein Modell mit Grenzen, kein Naturgesetz.