Edelgase auf Abwegen

Schon in der Schule lernen wir, dass Edelgase „bindungsscheu“ sind: Helium, Neon, Xenon und Co gehen kaum chemische Bindungen mit anderen Elementen ein – jedenfalls nicht freiwillig. Denn diese Gase besitzen bereits die energetische günstige Elektronenkonfiguration, die alle anderen Elemente anstreben: Ihre äußeren Elektronenschalen sind komplett gefüllt.

Das Edelgas Helium ist besonders "bindungsscheu", hier das glühende Gas in einer Gasentladungsröhre. © Jurii/ CC-by-sa 3.0

Helium unter Druck

Besonders „unsozial“ ist das leichteste Edelgas Helium: Unter normalen Bedingungen existiert keine einzige stabile Verbindung dieses Elements. Kein Wunder: „Sein Ionisationspotenzial ist das höchste von allen Elementen und seine Elektronenaffinität ist gleich Null“, erklärt Atem Oganov vom Moskauer Institut für Physik und Technologie. Zwar lässt sich das Edelgas unter hohem Druck auf Reaktionen ein, die resultierenden Moleküle sind jedoch nicht stabil und zerfallen schnell wieder.

Doch Oganov und seinem Team ist es gelungen, das bindungsscheue Element doch in eine stabile Paarung zu zwingen. In ihrem Experiment hatten die Forscher ein Gemisch von Natrium und Helium in einer Diamantstempel-Presse enormen Drücken ausgesetzt. Mittels Röntgenkristallografie und Raman-Spektroskopie beobachteten sie dabei den Zustand der Mischung. Sie stellten fest: Ab einem Druck von 113 Gigapascal bahnt sich ein Wandel an. Aus dem Gemisch der beiden Elemente wird unter Energieabgabe eine kristalline Verbindung.

Kristallstruktur von Na₂He. Die grünen Würfel repräsentieren Heliumatome, die violetten Kugeln Natium. Rot dargestellt sind lokalisierte Elektronenpaare. © Artem R. Oganov

Ungewöhnlicher Kristall

„Die Verbindung, die wir entdeckt haben, ist allerdings ziemlich ungewöhnlich“, sagt Oganov. Auf den ersten Blick ähnelt das Na₂He einem ionischen, salzähnlichen Kristall. In diesem bilden die Heliumatome ein kubisches Gitter – ähnlich einem 3D-Schachbrett, bei dem jedes schwarze Feld von Helium besetzt ist. Die Räume dazwischen sind jedoch abwechselnd von Natrium und von einem Elektronenpaar belegt.

„Damit ist diese Verbindung ein Elektrid, ein Kristall aus positiv geladenen Ionenkernen, in dem stark lokalisierte Valenzelektronen die Rolle der Anionen spielen“, erklären die Forscher. Na2He sei zwar exotisch, aber dennoch eine bei Hochdruck stabile, echte Verbindung von Helium mit einem anderen Element, betonen sie.

Spontane Paarung der unmöglichen Art

Doch auch wenn sich Edelgase manchmal in Bindungen „zwingen“ lassen – als überhaupt möglich galten solche Paarungen nur unter Druck und auch dann nur mit positiv geladenen Partnern – so jedenfalls dachte man. Denn diese Partner entreißen dem Edelgas einige seiner Außenelektronen, um eine stabile Konfiguration zu erreichen. Verbindungen mit Elementen, die selbst einen Elektronenüberschuss haben, galten dagegen als unmöglich.

Krypton reagiert normalerweise nur mit dem Halogen Fluor, weil dieses stark eletronenanziehend wirkt. © Greg Robson/ CC-by-sa 2.0 uk

Doch eine solche „unmögliche“ Bindung haben Markus Rohdenburg von der Universität Bremen und seine Kollegen im Jahr 2017 erzeugt. In ihrem Experiment reagierten die Edelgase Xenon und Krypton spontan und bei Raumtemperatur mit einem negativ geladenen Molekül, einer Verbindung aus zwölf Bor- und elf Chloratomen (B₁₂Cl₁₁). Nach gängiger Lehrmeinung hätte diese Reaktion jedoch nicht stattfinden dürfen – und schon gar nicht spontan.

Die Erklärung dafür: Der Reaktionspartner der Edelgase, das Bor-Chlor-Molekül, ist zwar insgesamt negativ geladen, hat aber eine dipolähnliche Ladungsverteilung. Dadurch reagiert ein Ende des Moleküls eher wie ein positiv geladenes Kation – und dort bildet sich die Bindung zum Edelgas aus. Damit haben Rohdenburg und seine Kollegen eine ganz neue Art der Reaktion für Edelgase entdeckt – ein Erfolg, der sie auf das Titelblatt des Fachjournals „‚Angewandte Chemie“ brachte.

Nadja Podbregar
Stand: 12.10.2018