+ Schwerspat BaSO Die Elemente- Bariummineralien sind:+ Witherit BaCO 4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe 4 Nichtmetalle

(1)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Die Elemente

- Bariummineralien sind:

+ Witherit BaCO₃ + Schwerspat BaSO₄

(2)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Darstellung und Verwendung

- Erdalkalimetalle können durch chemische Reduktion oder durch Schmelzflußelektrolyse dargestellt werden

- technisch wird die Schmelzflußelektrolyse zur Herstellung von Be und Mg eingesetzt

(3)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Darstellung und Verwendung - Be

- für die Schmelzflußelektrolyse zur Herstellung von Be werden BeO ·5 BeF₂ oder Mischungen aus BeCl₂ und NaCl verwendet

- chemische Reduktion von BeF₂ im Graphittiegel:

(4)

4 Nichtmetalle

- Verwendung von Be:

+ Legierungsbestandteil + Neutronenmoderator bei Kernreaktionen

(5)

4 Nichtmetalle

- Verwendung von Be:

+ Legierungsbestandteil

+ Neutronenmoderator bei Kernreaktionen

+ aufgrund geringer Absorption von Röntgenstrahlung Anfertigung von Austrittsfenstern für Röntgenröhren

(6)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Darstellung und Verwendung - Mg

- 80 % der Weltproduktion an Magnesium wird durch Schmelz- elektrolyse von MgCl₂ hergestellt

- wasserfreies MgCl₂erhält man durch Umsetzung von MgO mit Koks und Chlor

(7)

4 Nichtmetalle

- Magnesiumverwendungen:

+ Legierungsbestandteil (geringe Dichte)

(8)

4 Nichtmetalle

(9)

4 Nichtmetalle

+ Elektronmetalle (90 % Mg, Si, Al, Zn, Mn, Cu) sind gegen Alkalien und selbst Flußsäure beständig

+ Reduktionsmittel in der Metallurgie

(10)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Darstellung und Verwendung - Ca

- Calcium kann durch Elektrolyse von geschmolzenem CaCl₂ im Gemisch mit CaF₂ oder KCl bei 700 °C hergestellt werden

- technische Darstellung durch Aluminothermie:

(11)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Darstellung und Verwendung - Ba

- Barium wird durch Reduktion von BaO mit Al oder Si bei 1200 °C im Vakuum hergestellt; von Bariumsulfat (Baryt, Schwerspat) aus- gehend werden folgende Reaktionsschritte durchlaufen:

(12)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Darstellung und Verwendung - Ba

-

(13)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Darstellung und Verwendung - Ba, Ra

- Ba wird als Gettermetall zur Hochvakuumerzeugung in Elektronenröhren benutzt

- Ra wird bei der Aufarbeitung von Uranerzen gewonnen (0,34 g / t U)

met. Ra als Strahlenquelle Ziffern aus Ra

(14)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Berylliumverbindungen

- Be unterscheidet sich stärker von den anderen Elementen der 2. HG - Ionisierungsenergie und EN sind wesentlich größer, Ionenradius Be²⁺

ist viel kleiner, Be - Verbdg. sind daher kovalenter

- Be bildet mit zwei sp-Hybridorbitalen lineare BeX₂ - Moleküle - diese Elektronenmangelverbindungen (s. Bor) streben auf

verschiedene Weise nach Erhöhung der KZ auf 4:

(15)

4 Nichtmetalle

- diese Elektronenmangelverbindungen (s. Bor) streben auf verschiedene Weise nach Erhöhung der KZ auf 4:

+ Dreizentrenbindungen wie im polymeren (BeH₂)_n

(16)

4 Nichtmetalle

+ Koordinative Bindungen wie im polymeren kettenförmigen (BeCl₂)_n

(17)

4 Nichtmetalle

+ Funktion als Lewissäure:

(18)

4 Nichtmetalle

+ (p-p)-Bindungen wie im gasförmigen BeCl₂:

(19)

4 Nichtmetalle

- zwischen isoelektronischen Beryllium-Fluor und Silicium- Sauerstoff-Verbindungen existieren erstaunliche Isotypien:

(20)

4 Nichtmetalle

- Berylliumhydrid BeH₂ ist eine feste, weiße, nichtflüchtige polymere Substanz

- es ist luft- und feuchtigkeitsempfindlich, dem Al-Hydrid ähnlich

(21)

4 Nichtmetalle

- Berylliumhydroxid Be(OH)₂ fällt als weißer, gallertartiger Niederschlag beim Zugabe von Basen zu Be-Salz-Lösungen - das frisch gefällte Produkt ist amphoter:

- durch Kochen oder Stehen altert Be(OH)₂ und ist dann schwerer lösl.

(22)

4 Nichtmetalle

- Berylliumoxid BeO wird durch Erhitzen von Berylliumhydroxid als lockeres, weißes Pulver erhalten, das sich in Säuren löst

- hochgeglüht ist es säureunlöslich und wir zur Herstellung von Tiegeln für Hochtemperaturreaktionen verwendet

- Mohs-Härte 9

(23)

4 Nichtmetalle

- Berylliumchlorid BeCl₂ entsteht durch Erhitzen von Be im trockenen Chlor- oder Hydrogenchloridstrom:

- es bildet farblose, hygroskopische Nadeln mit Kettenstruktur

- BeCl₂ löst sich gut in Wasser und Ethanol und bildet Addukte

(24)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Magnesiumverbindungen

- Mg ist ein starkes Reduktionsmittel, mit dem bei hohen Temperaturen SiO₂ und B₂O₃ reduziert werden können

- Mg ist elektropositiver als Be, daher sind Mg-Verbdg. heteropolarer - bevorzugte Koordinationszahl ist 6

- [Mg(H₂O)₆]²⁺-Ionen reagieren im Gegensatz zu [Be(H₂O)₄]²⁺-Ionen nicht sauer

(25)

4 Nichtmetalle

- Magnesiumhydrid MgH₂ ist weiß, fest und nichtflüchtig und besitzt Ionencharakter; Darstellung:

- oder durch thermische Zersetzung von Diethylmagnesium im Hoch- vakuum

(26)

4 Nichtmetalle

- Magnesiumoxid MgO entsteht durch Verbrennung von Mg an der Luft mit blendend weißem Licht :

(27)

4 Nichtmetalle

- Magnesiumoxid MgO entsteht durch Verbrennung von Mg an der Luft mit blendend weißem Licht

- technisch erhältlich ist MgO wie folgt:

- MgO ist weiß und kristallisiert in der NaCl-Struktur

(28)

4 Nichtmetalle

- durch Erhitzen von Mg(OH)₂ erhält man lockeres MgO (magnesia usta, das in der Medizin als Neutralisationsmittel Verwendung findet

(29)

4 Nichtmetalle

- durch Erhitzen von Mg(OH)₂ erhält man lockeres MgO (magnesia usta, das in der Medizin als Neutralisationsmittel Verwendung findet - Mischungen von MgO und konz. MgCl₂- Lösungen erhärten

steinartig (Magnesiazement, Sorelzement) unter Bildung basischer Chloride vom Typ MgCl₂ ·3 Mg(OH)₂ · 8 H₂O

+ fugenlose Fußböden (Steinholz, Kunstmarmor)

+ künstliches Elfenbein (Billardkugeln, Kunstgegenstände)

(30)

4 Nichtmetalle

- Magnesiumhydroxid Mg(OH)₂ wird aus MgCl₂-Lösungen und Kalkmilch Ca(OH)₂ hergestellt:

- es ist ein farbloses Pulver, das in Wasser schwer- in Säuren leicht löslich ist

(31)

4 Nichtmetalle

- Magnesiumchlorid MgCl₂kristallisiert aus wäßrigen Lösungen als Hexahydrat [Mg(H₂O)₆]Cl₂

- beim Entwässern des Hexahydrats entstehen unter HCl-Abspaltung basische Chloride:

- MgCl₂ ist blättrig-kristallin und sehr hygroskopisch

(32)

4 Nichtmetalle

- Magnesiumfluorid MgF₂kristallisiert in der Rutilstruktur und wird zur Vergütung von Linsen verwendet (Verhinderung von

Spiegelungen)

- Magnesiumcarbonat MgCO₃ kann mit überschüssigen CO₂ aus Alkalimetalcarbonatlösungen aus

- das basische Carbonat 4 MgCO₃ · Mg(OH)₂ ·4 H₂O wird in der

(33)

4 Nichtmetalle

- Magnesiumsulfat MgSO₄bildet eine Reihe von Hydraten

- bei RT kristallisiert das zu den Vitriolen gehörende Heptahydrat MgSO₄ ·7 H₂O (Bittersalz, Verwendung als Abführmittel)

- Grignardverbindungen sind Verbindungen des Typs RMgX (X = Halogen, R = organischer Rest) - Darst. durch Einwirkung von Organylhalogeniden RX auf aktiviertes Magnesium in

Donorlösungsmitteln (Ether, THF)

(34)

4 Nichtmetalle

- Grignardverbindungen sind Verbindungen des Typs RMgX (X = Halogen, R = organischer Rest)

- Darst. durch Einwirkung von Organylhalogeniden RX auf aktiviertes Magnesium in Donorlösungsmitteln (Ether, THF)

- Verwendung der Grignard-Verbindung als Alkylierungs- und Arylierungsmittel:

(35)

4 Nichtmetalle

- Verwendungen für

Grignard-Verbindungen

(36)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Calciumverbindungen

- CaH₂ ist eine weiße, kristalline Masse

- CaH₂ ist heteropolar aufgebaut, Fluorit-Struktur - Darstellung, Reaktion und Verwendung:

(37)

4 Nichtmetalle

- CaO (Ätzkalk, gebrannter Kalk)ist eine weiße, amorphe Masse - großtechnische Darstellung durch Erhitzen von Kalkstein CaCO₃ auf 1000 - 1200 °C (Kalkbrennen)

(38)

4 Nichtmetalle

- CaO (Ätzkalk, gebrannter Kalk)ist eine weiße, amorphe Masse

- großtechnische Darstellung durch Erhitzen von Kalkstein CaCO₃

auf 1000 - 1200 °C (Kalkbrennen)

(39)

4 Nichtmetalle

- CaO (Ätzkalk, gebrannter Kalk)ist eine weiße, amorphe Masse - großtechnische Darstellung durch Erhitzen von Kalkstein CaCO₃ auf 1000 - 1200 °C (Kalkbrennen)

- CaO reagiert mit Wasser unter starker Wärmeentwicklung zu Ca(OH)₂ (Kalklöschen)

- CaO wird verwendet zur Herst. von Luftmörtel, CaC₂, Chlorkalk, Glas

(40)

4 Nichtmetalle

- Ca(OH)₂ ist im trockenen Zustand ein weißes Pulver, das bei 450 °C Wasser abspaltet:

- in 1 l Wasser lösen sich nur 1,26 g Ca(OH)₂ bei 20 °C (Kalkwasser) - Suspension heißt Kalkmilch und dient als Anstrichfarbe und billige Industrie-Base

(41)

4 Nichtmetalle

- CaCl₂ entsteht technisch als Abfallprodukt bei der Sodaherstellung - das aus wäßr. Lösungen kristallisierende Hexahydrat kann zum wasserfreien CaCl₂ entwässert werden

- es ist weiß, sehr hygroskopisch und wird als Trockenmittel verwendet

- Aus Eis und [Mg(H₂O)₆]Cl₂ lassen sich Kältemischungen herstellen

(42)

4 Nichtmetalle

- CaCO₃ kristallisiert in den drei Modifikationen Calcit (Kalkspat), Aragonit, Vaterit

- aus Calcitkristallen bestehen Kalkstein, Kreide und Marmor

(43)

4 Nichtmetalle

- CaCO₃ kristallisiert in den drei Modifikationen Calcit (Kalkspat), Aragonit, Vaterit

- aus Calcitkristallen bestehen Kalkstein, Kreide und Marmor - Kalkstein enthält neben Calcit bis zu 10 % Ton, bei 10 - 90 % ergibt sich Mergel

- Kreide ist CaCO₃, gebildet aus Schalentrümmern von Einzellern in der

Kreidezeit

- Marmor ist sehr reiner grobkristalliner Calcit

(44)

4 Nichtmetalle

- CaCO₃ und wird hauptsächlich in der Baustoffindustrie verwendet, findet aber auch Verwendung als Zusatz in Putzmitteln oder

Radiergummis

(45)

4 Nichtmetalle

- CaSO₄ kommt in der Natur als CaSO₄ (Anhydrit) und CaSO₄ · 2 H₂O (Gips) vor

(46)

4 Nichtmetalle

- CaSO₄ kommt in der Natur als CaSO₄ (Anhydrit) und CaSO₄ · 2 H₂O (Gips) vor

- aus wäßrigen Lösungen kristallisiert CaSO₄ unterhalb 66 °C als Gips, oberhalb als Anhydrit

- bei 120 °C geht Gips in „gebrannten Gips“ über:

(47)

4 Nichtmetalle

- mit Wasser bindet er wieder zu Gips (CaSO₄ · 2 H₂O) ab

(48)

4 Nichtmetalle

- mit Wasser bindet er wieder zu Gips (CaSO₄ · 2 H₂O) ab - weiteres Erhitzen von gebranntem Gips führt zu Stuckgips:

(49)

4 Nichtmetalle

- bei 1000 - 1200 °C wird Gips „totgebrannt“, - oberhalb 1200 °C folgt thermische Zersetzung:

(50)

4 Nichtmetalle

- Calciumcarbid CaC₂ wird zu Acetylen (Ethin) und Kalkstickstoff weiterverarbeitet

- großtechnische Herstellung (ca. 10 Mio. jato) aus Kalk und Koks im Lichtbogen eines elektrischen Ofens

(51)

4 Nichtmetalle

- Kalkstickstoff ist ein Gemisch aus Calciumcyanamid CaCN₂und Kohlenstoff

(52)

4 Nichtmetalle

- Kalkstickstoff ist ein Gemisch aus Calciumcyanamid CaCN₂und Kohlenstoff

- Im Boden bildet sich durch Bakterien Ammoniak

(53)

4 Nichtmetalle

- Mörtel: Bindemittel, die mit Wasser angerührt erhärten

- man unterscheidet von Wasser angreifbaren Luftmörtel und wasserbeständigen Wassermörtel

- Luftmörtel: + Kalkmörtel, Brei aus gelöschtem Kalk und Sand, Erhärtung beruht auf Calciumcarbonatbildung unter Beteiligung des Kohlenstoffdioxids der Luft

(54)

4 Nichtmetalle

- Luftmörtel: + Kalkmörtel, Brei aus gelöschtem Kalk und Sand, Erhärtung beruht auf Calciumcarbonatbildung unter Beteiligung des Kohlenstoffdioxids der Luft

+ Gipsmörtel ist eine Suspension von gebranntem Gips,

(55)

4 Nichtmetalle

- Wassermörtel: Zement entsteht beim Brennen von Gemischen aus Kalkstein und Ton bei 1450 °C, hierbei bilden sich

+ Calciumferrite + Calciumsilicate + Calciumaluminate - beim Abbinden entstehen

kompliziert zusammengesetzte Hydrate

(56)

4 Nichtmetalle

4.9 Elemente der 2. Hauptgruppe Bariumverbindungen

- lösliche Bariumsalze (z.B. BaCl₂) sind giftig (BaCO₃ Rattengift) - Ba(NO₃)₂dient in der Pyrotechnik als Grünfeuer

(57)

4 Nichtmetalle

- lösliche Bariumsalze (z.B. BaCl₂) sind giftig (BaCO₃ Rattengift) - Ba(NO₃)₂dient in der Pyrotechnik als Grünfeuer

- Bariumsulfat BaSO₄ ist die wichtigste natürliche Ba-Verbindung - wasserunlöslich und chemisch sehr beständig

- Zersetzung oberhalb 1400 °C

(58)

4 Nichtmetalle

- Bariumsulfat BaSO₄ wird als weiße Malerfarbe verwendet (Permanentweiß), weiterhin als Füllstoff

in der Papier- und Gummiindustrie

- Verwendung als Röntgenkontrastmittel

(59)

4 Nichtmetalle

- Bariumoxid BaO wird technisch durch Zersetzung des Carbonates in Gegenwart von Kohle hergestellt:

- Mit Wasser reagiert BaO zu Bariumhydroxid Ba(OH)₂

(60)

4 Nichtmetalle

- Bariumperoxid BaO₂ wird technisch bei 2 bar im Luftstrom hergestellt

- bei erhöhter Temperatur und vermindertem Druck (le Chatelier!) wird der Sauerstoff wieder abgegeben

(61)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Gruppeneigenschaften

-

(62)

5 Metalle

 Li

(63)

5 Metalle

 Li Na 

(64)

5 Metalle

 Li Na 

 K

(65)

5 Metalle

 Li Na 

 K

Rb 

(66)

5 Metalle

 Li Na 

 K

Rb 

Cs 

(67)

5 Metalle

 Li Na 

 K

Rb 

 Fr Cs 

(68)

5 Metalle

(69)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Gruppeneigenschaften - die Elemente

(70)

5 Metalle

-

(71)

5 Metalle

- reaktionsfähigste Metalle, stärkste Reduktionsmittel

- in stabilen Verbindungen fast ausschließlich Oxidationszahl +1 - Reaktion mit Wasser zu Hydroxiden Me^IOH:

+ Li, Na nur unter H₂-Entwicklung

+ K und Rb unter spontaner H₂ - Entzündung + Cs reagiert explosionsartig

(72)

5 Metalle

- reaktionsfähigste Metalle, stärkste Reduktionsmittel

- in stabilen Verbindungen fast ausschließlich Oxidationszahl +1 - Reaktion mit Wasser zu Hydroxiden Me^IOH

- Wasserstoff wird zum Hydridion reduziert: Me + 0,5 H₂  Me⁺H^- - Reaktion mit Sauerstoff zu

+ Lithiumoxid

(73)

5 Metalle

- Halogenide sind stabile Ionenverbindungen

- aufgrund des Ionentadius‘ ähnelt NH₄⁺ den Ionen K⁺ und Rb⁺

- Lithium unterscheidet sich stärker von seinen Homologen und ähnelt mehr dem Magnesium (Schrägbeziehung):

+ Löslichkeiten und Basizitäten der Hydroxide sind ähnlich

+ Phosphate, Carbonate, Fluoride von Li und Mg schwerlöslich + Carbonate thermisch leicht zersetzlich

+ Li und Mg bilden hydrolysierbare Nitride, andere Alkalimet. nicht + LiCl und MgCl sind im Gegensatz zu NaCl hygroskopisch

+ Oxidation von von Li und Mg liefert normale Oxide

(74)

5 Metalle

- Alkalimetalle sind weiche Metalle, mit dem Messer schneidbar - Li, Na, K leichter als Wasser, Li ist das leichteste aller festen Elemente

- Li, Na, K, Rb sind silberweiß, Cs hat einen Goldton

(75)

5 Metalle

- Alkalimetalle sind weiche Metalle, mit dem Messer schneidbar - Li, Na, K leichter als Wasser, Li ist das leichteste aller festen Elemente

- Li, Na, K, Rb sind silberweiß, Cs hat einen Goldton - Fp., Kp. sind niedrig und nehmen mit Z ab

- im Festkörper vorwiegend kubisch-raumzentriert, in der Gasphase zweiatomige Moleküle Me-Me

- Li ist das unedelste Metall / bei allen Akalimetallen bildet sich an der Luft eine Hydroxidschicht, daher Aufbewahrung unter Luftabschluß

(76)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Vorkommen - Lithium

Alle Alkalimetalle kommen in der Natur nur in gebundener Form vor - wichtige Lithiummineralien sind:

+ Amblygonit (Li, Na)AlPO₄(F, OH)

+ Spodumen LiAl[Si₂O₆], ein Kettensilicat

+ Lepidolith KLi_1,5Al_1,5[AlSi₃O₁₀](OH,F)₂ (ein Glimmer) + Petalit (Kastor) Li[AlSi O ] (ein Tektosilicat)

(77)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Vorkommen - Natrium

Natrium und Kalium gehören zu den 10 häufigsten Elementen der Erdkruste

Die meistverbreiteten Natriummineralien sind Tektosilicate:

- Natronfeldspat (Albit) Na[AlSi₃O₈]

Norwegen

(78)

5 Metalle

Natrium und Kalium gehören zu den 10 häufigsten Elementen der Erdkruste

Die meistverbreiteten Natriummineralien sind Tektosilicate:

- Natronfeldspat (Albit) Na[AlSi₃O₈] - Kalk-Natron-Felspate (Plagioklase, Mischungen zwischen Albit und

(79)

5 Metalle

In großen Lagerstätten kommen vor:

- NaCl (Steinsalz, Halit)

(80)

5 Metalle

- NaCl (Steinsalz, Halit), bergmännische Gewinnung

(81)

5 Metalle

- NaCl (Steinsalz, Halit) - Soda Na₂CO₃  10 H₂O

Sodagewinnung im ausgehenden Mittelalter

(82)

5 Metalle

- NaCl (Steinsalz, Halit) - Soda Na₂CO₃  10 H₂O

- Trona Na₂CO₃  NaHCO₃  2 H₂O

- Thenardit Na₂SO₄

(83)

5 Metalle

- NaCl (Steinsalz, Halit), Gewinnung aus dem Meer

Salinen

(84)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Vorkommen - Kalium

- wichtigste Vorkommen wie bei NaCl in Lagerstätten:

+ Sylvin KCl

(85)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Vorkommen - Kalium

- wichtigste Vorkommen wie bei NaCl in Lagerstätten:

+ Sylvin KCl

+ Carnallitt KCl ·MgCl₂ · 6 H₂O + Kainit KCl ·MgSO₄ · 3 H₂O - häufigste Kaliummineralien sind:

+ Kalifeldspat K[AlSi₃O₈]

+ Kaliglimmer Muskovit KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH,F)₂

(86)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Vorkommen - Rubidium, Cäsium, Francium

- Rb und Cs sind Begleiter der anderen Alkalimetalle:

+ Lepidolith enthält ca. 1 % Rb

+ selten ist das Tektosilicat Pollux Cs[AlSi₂O₆] · 0,5 H₂O

(87)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Darstellung und Verwendung

- chemische Reduktion zur Elementdarstellung ist aufgrund der Standardpotentiale schwierig

- Elektrolyse wäßriger lösungen aufgrund Entladung und Abscheidung von Wasserstoff ebenfalls untauglich

- daher Schmelzelektrolyse technische Herstellungsmethode für Li und Na

(88)

5 Metalle

- Na wird heute nach dem Downs-Verfahren hergestellt

durch CaCl₂ herabgesetzte

(89)

5 Metalle

- Li wird durch Schmelzelektrolyse eines eutektischen Gemisches von LiCl und KCl bei 450 °C hergestellt

- im Labor Li-Gewinnung durch Elektrolyse einer LiCl-Lösung in Pyr.

- K wir durch chemische Reduktion von geschmolzenem KCl mit metallischem Na bei 850 °C hergestellt

- Gewinnung von Rb und Cs ebenfalls durch chemische Reduktion:

(90)

5 Metalle

- Li dient in der Metallurgie als Legierungsbestandteil zum Härten von Pb, Mg und Al

- Na ist Ausgangsstoff zur Darstellung von Na₂O₂, NaNH₂, NaH, NaCN - Na-Pb- Legierungen dien(t)en zur Herstellung des Antiklopfmittels Teraethylblei Pb(C₂H₅)₄

(91)

5 Metalle

- in der Beleuchtungstechnik verwendet man Na für Natriumdamfent- ladungslampen; in schnellen Brütern als Kühlmittel

(92)

5 Metalle

- in der Beleuchtungstechnik verwendet man Na für Natriumdamfent- ladungslampen; in schnellen Brütern als Kühlmittel

- im Labor ist es ein wichtiges Reduktionsmittel und wird zur Trocknung organischer Lösungsmittel

(z.B. Ether, Benzol) verwendet

- bei UV-Bestrahlung geben Alkalimetalle

(93)

5 Metalle

- in der Nuklearmedizin dient ¹³⁷Cs als Strahlenquelle

(94)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Verbindungen der Alkalimetalle - Hydride

- Alkalimetalle reagieren mit Wasserstoff zu stöchiometrischen, thermodynamisch stabilen Hydriden in NaCl-Struktur

- das stabilste Hydrid LiH kann aus den Elementen dargestellt werden:

- mit Wasser entwickelt sich pro kg LiH 2,8 m³ Wasserstoff:

(95)

5 Metalle

- in etherischen Lösg. reagiert LiH mit vielen Halogeniden zu Doppel- hydriden:

- NaH entsteht bei 300 °C aus den Elementen

(96)

5 Metalle

- NaH entsteht bei 300 °C aus den Elementen

- NaH wird als Reduktionsmittel verwendet:

(97)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Verbindungen der Alkalimetalle - Sauerstoffverbindungen

- Alle Alkalimetalle bilden Oxide Me₂O (O^2-), Peroxide Me₂O₂ (O₂^2-) und Hyperoxide MeO₂(O₂^-)

- beim Erhitzen an der Luft entsteht aus + Li das Oxid L₂O

+ Na das Peroxid Na₂O₂

+ K, Rb, Cs KO₂, RbO₂, CsO₂

(98)

5 Metalle

- die Oxide sind weiß (Na₂O) bis orange (Cs₂O) , thermisch ziemlich stabil und oberhalb 500 °C zersetzlich

- Li₂O entsteht auch bei thermischer Zersetzung von LiOH, Li₂CO₃ und LiNO₃

- Li₂O wird in der Glasindustrie

(99)

5 Metalle

- die Oxide sind weiß (Na₂O) bis orange (Cs₂O) , thermisch ziemlich stabil und oberhalb 500 °C zersetzlich

- das hygroskopische Na₂O erhält man aus Natriumperoxid mit Na

(100)

5 Metalle

- das Na₂O₂ entsteht durch Verbrennung von Na im Sauerstoffstrom

- es ist bis 500 °C thermisch stabil und ein kräftiges Reduktionsmittel (Verwendung als Bleichmittel für Papier und Textilrohstoffe)

- wäßrige Lösungen reagieren alkalisch, da O ^2- eine starke

(101)

5 Metalle

- Li₂O₂wird industriell aus LiOH · H₂O mit H₂O₂ hergestellt

- Li₂O₂ zersetzt sich oberhalb 195 °C in Li₂O

(102)

5 Metalle

- K₂O₂, RbO₂,Cs₂O₂ werden durch Oxidation der Metalle in flüssigem NH₃ bei -60 °C dargestellt

- Peroxide reagieren mit Wasser unter Bildung von H₂O₂:

(103)

5 Metalle

- Na₂O₂findet daher Verwendung in der Unterwassertechnik, das leichtere Li₂O₂in derRaumfahrttechnik

(104)

5 Metalle

- bei der Oxidation mit Luftsauerstoff reagieren K, Rb und Cs zu Hyperoxiden:

- Hyperoxide sind nur mit den Alkalimetallkationen stabil; LiO₂ konnte in Matrixtechnik isoliert werden; NaO₂ ist bis 67 °C stabil:

(105)

5 Metalle

- Alkalimetallhydroxide sind von allen Hydroxiden die stärksten Basen - Sie entstehen bei de Reaktion von Alkalimetall mit Wasser:

Me + H₂O  MeOH + 0,5 H₂

Wasser + Li +Na +K

(106)

5 Metalle

- Alkalimetallhydroxide sind von allen Hydroxiden die stärksten Basen - Sie entstehen bei de Reaktion von Alkalimetall mit Wasser:

Me + H₂O  MeOH + 0,5 H₂ - LiOH ensteht auch folgendermaßen:

(107)

5 Metalle

- NaOH (Ätznatron) ist eine weiße, hygroskop., kristalline Substanz - dient als Trocknungsmittel und als Absorptionsmittel für CO₂

- industrielle Verwendung für Bauxitaufschluß sowie zur Natriumhypochloritdarstellung

NaOH - Pellets

(108)

5 Metalle

- NaOH ist eine weiße, hygroskopische, kristalline Substanz - dient als Trocknungsmittel und als Absorptionsmittel für CO₂

- industrielle Verwendung für Bauxitaufschluß sowie zur Natrium- hypochloritdarstellung

- weiterhin als Industriebase bei der Fabrikation von + Papier

+ Zellstoff

(109)

5 Metalle

- KOH (Ätzkali) ist wie NaOH weiß und hygroskopisch

- Verwendung ebenfalls als Trockensubstanz und Absorptionsmittel - technisch wichtig zur Herstellung von

+ Schmierseifen

+ wasserenthärtenden Kaliphosphaten für flüssige Waschmittel

(110)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Verbindungen der Alkalimetalle - Halogenide

- farblose, hochschmelzende, kristalline Feststoffe

(111)

5 Metalle

- farblose, hochschmelzende, kristalline Feststoffe

- CsCl, CsBr, CsI kristallisieren im CsCl-Gitter, alle anderen im NaCl-Gitter

- Darstellung durch Rkn von MeOH oder Me₂CO₃ mit HX - NaCl, KCl in großen natürlichen Vorkommen;

+ Reinigung durch Umkristallisation

(112)

5 Metalle

- LiF ist im Gegensatz zu zu den anderen Lithiumhalogeniden schwerlöslich

- wegen hoher IR-Durchlässigkeit Verwendung von LiF-

Einkristallen als Prismenmaterial

(113)

5 Metalle

- LiCl (Fp. 613 °C) kristallisiert bis 98 °C als Hydrat, darüber wasserfrei

- Solvatisierung des Li⁺ - Ions bewirkt gute Löslichkeit von LiCl, LiBr und LiI in Ethanol, was zur Trennung von anderen Alkalimetallionen dient

(114)

5 Metalle

- NaCl (Fp. 808 °C) industriell wichtigste Natriumverbindung - Ausgangsprodukt für die Herstellung von

+ Natriumcarbonat + NaOH

+ Chlor + HCl

(115)

5 Metalle

- NaCl (Fp. 808 °C) industriell wichtigste Natriumverbindung

- Ausgangsprodukt für die Herstellung von Natriumcarbonat, NaOH, Chlor, HCl, Wasserglas

- Gewinnung durch Abbau von Steinsalzlagern oder durch Eindunsten von Meerwasser

(116)

5 Metalle

- NaCl ist nicht hygroskopisch (MgCl₂-Verunreinígungen verursachen das Feuchtwerden von Speisesalz)

- Löslichkeit von NaCl in H₂O wenig temperatur- abhängig (36,6 g bei 0 °C, 39,1 g bei 100 °C) - Eis-Kochsalzmischungen werden

als Kältemischungen verwendet

(117)

5 Metalle

- KCl ist das wichtigste Kalirohsalz und ausgangspunkt für die Herstellung von Kaliverbindungen iwe KCl und K₂CO₃

- die wichtigsten Kalisalze, aus denen KCl durch Aufarbeitung gewonnen wird, sind:

+ Carnallit KCl · MgCl₂ · 6 H2O

+ Hartsalz, ein Gemenge aus NaCl, KCl (Sylvin) und Kieserit MgSO₄ · H₂O

+ Sylvinit, ein Gemisch aus Steinsalz und Sylvin

(118)

5 Metalle

5.1 Elemente der 1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Verbindungen der Alkalimetalle - Salze von Oxosäuren

- Natriumcarbonat Na₂CO₃ gehört zu den wichtigsten Produkten der chemischen Industrie; Hauptverwendung in der Glasindustrie

+ Herstellung von Wasserglas + Herstellung von Waschmitteln + Herstellung von Natriumsalzen

- 1981 Weltproduktion 28 Mio t, davon ca. 3/4 synthetische Soda

(119)

5 Metalle

- aus wässrigen Lösungen kristallisiert das Dekahydrat Na₂CO₃ · 10 H₂O (Kristallsoda) aus

- Kristallsoda schmilzt bei 32 °C im eigenen Kristallwasser

Sodagruben am Nil

(120)

5 Metalle

- Herstellung erfolgt nach dem Ammoniak-Soda-Verfahren (Solvay- Verfahren) : + Ausfällung von NaHCO₃ nach CO₂/NH₃ Einleitung:

+ thermische Zersetzung des NaHCO₃ unter CO₂-Gewinnung:

(121)

5 Metalle

- Herstellung erfolgt nach dem Ammoniak-Soda-Verfahren (Solvay- Verfahren) : + weitere CO₂-Gewinnung durch Kalkbrennen:

+ der Branntkalk dient zur Ammoniakrückgewinnung:

+ als Bruttogleichung folgt:

(122)

5 Metalle

- Kaliumcarbonat K₂CO₃ (Pottasche; engl. Kalium = potassium!) ist weiß und hygroskopisch

- Verwendung in der Seifen- und Glasindustrie

- Herstellung nicht analog dem Solvay-Verfahren, da KHCO₃ gut lösl.

- stattdessen Carbonisierung von Kalilauge:

(123)

5 Metalle

- Natriumsulfat Na₂SO₄ erhält man durch Umsetzung von Steinsalz mit Kieserit:

- oder als Nebenprodukt bei der Salzsäureherstellung:

- aus Natriumsulfatlösungen kristallisiert unterhalb 32 °C das Decahydr.

Na₂SO₄ ·10 H₂O (Glaubersalz) aus , darüber wasserfreies Na₂SO₄ - über 32 °C schmilzt Gaubersalz im eigenen Kristallwasser

(124)

5 Metalle

- über 32 °C schmilzt Gaubersalz im eigenen Kristallwasser, darüber verwittert es zu Na₂SO₄ :

Ist bei RT der Wasserdampfdruck eines Salzes größer als der Wasserdampf-Partialdruck in der Luft, gibt das Salz Kristall- wasser ab, es verwittert

Wenn der Wasserdampf-Partialdruck eines wasserhaltigen

(125)

5 Metalle

- Natriumnitrat NaNO₃ kommt vorwiegend in Chile (Chilesalpeter) vor - technische Darstellung durch Umsetzung von Soda mit Salpetersäure:

- das mit Calcit isotype Natriumnitrat NaNO₃ wird hauptsächlich zur Herstellung von Düngemitteln und KNO₃ verwendet

(126)

5 Metalle

- Kaliumnitrat KNO₃(Kalisalpeter)

- im Gegensatz zu NaNO₃ nicht hygroskopisch

(127)

5 Metalle

5.2 der metallische Zustand Stellung im PSE, Eigenschaften

- 4/5 aller Elemente sind Metalle

- metallischer Charakter wächst im PSE in den HG von oben nach unten und in den Perioden von rechts nach links

- alle Nebengruppenelemente, die Lanthanoide und Actinoide sind Metalle

- typisch für Metalle sind nur wenige Außenelektronen und eine niedrige Ionisierungsenergie (< 10 eV); daher leichte Bildung positiver Ionen

(128)

5 Metalle

5.2 der metallische Zustand Stellung im PSE,

Eigenschaften

(129)

5 Metalle

5.2 der metallische Zustand

Stellung im PSE, Eigenschaften - Schmelzp. sind sehr unterschiedlich

(130)

5 Metalle

- Schmelzpunkte sind sehr unterschiedlich Hg -39 °C, W 3380 °C

- metallische Eigenschaften bleiben auch im flüssigen Zustand erhalten und gehen erst im Dampfzustand verloren

- metallische Eigenschaften sind daher an Existenz größerer Atomver- bände gebunden

- metallische Eigenschaften im einzelnen sind:

+ metallischer Glanz der Oberfläche, Undurchsichtigkeit

(131)

5 Metalle

(132)

5 Metalle

- bei HG-Metallen stehen für chemische Bindungen nur s- und p- Elektronen zur Verfügung;

d- Elektronen gibt es entweder nicht oder nur in vollbesetzten Unterschalen

(133)

5 Metalle

- bei NG-Metallen stehen für chemische Bindungen neben s- und p- auch die d-Elektronen der zweitäußersten Schale zur Verfügung

(134)

5 Metalle

5.2 der metallische Zustand Kristallstrukturen der Metalle

- es treten vorwiegend drei Strukturen auf:

+ hexagonal

dichteste Packung (A₃)

(135)

5 Metalle

+ hexagonal dichteste Packung KZ 12

(136)

5 Metalle

+ hexagonal dichteste Packung + kubisch dichteste Packung (A₁)

(137)

5 Metalle

+ hexagonal dichteste Packung + kubisch dichteste Packung

(138)

5 Metalle

+ hexagonal dichteste Packung + kubisch dichteste Packung + kubisch raumzentrierte Struktur (A₂)

(139)

5 Metalle

- 80 % der Metalle kristallisieren ineiner der drei Strukturen

(140)

5 Metalle

- 80 % der Metalle kristallisieren ineiner der drei Strukturen

- viele Metalle sind polymorh, d.h. sie kommen in mehreren Strukturen vor:

- ungerichtete Bindungskräfte der gleich großen Bausteine führen zu wenigen geometrisch einfachen Strukturen mit großen KZ

- plastische Verformbarkeit von Metallen beruht auf der Möglichkeit

(141)

5 Metalle

- Atomradius von Metallen ist der halbe Abstand im Metallgitter befindlicher Atome

(142)

5 Metalle

- bei polymorphen Metallen findet man eine Abhängigkeit der Radien von der Koordinationszahl:

(143)

5 Metalle

- bei polymorphen Metallen findet man eine Abhängigkeit der Radien von der Koordinationszahl:

- in jeder Periode haben die Alkalimetalle die größten Radien

- in jeder Übergangsmetallreihe haben einige Elemente sehr ähnliche Radien (Fe, Co, Ni, Cu); die homologer 4d- und 5d- Elemente sind annähernd gleich: Ursache ist die Lanthanoidenkontraktion

(144)

5 Metalle

5.2 der metallische Zustand Die metallische Bindung

- 1900 entwickelten Drude und Lorentz ein klassisches Modell der Metallbindung, das von Rümpfen und delokalisierten e^- ausgeht - Elektronen bewegen sich als

Elektronengas zwischen den Rümpfen

(145)

5 Metalle

- 1900 entwickelten Drude und Lorentz ein klassisches Modell der Metallbindung, das von Rümpfen und delokalisierten e^- ausgeht - Elektronen bewegen sich als Elektronengas zwischen den

Rümpfen - Vergleich von Elektronendichten in verschiedenen Gittern

(146)

5 Metalle

- 1900 entwickelten Drude und Lorentz ein klassisches Modell der Metallbindung, das von Rümpfen und delokalisierten e^- ausgeht - Elektronen bewegen sich als Elektronengas zwischen den

Rümpfen - Vergleich von Elektronendichten in verschiedenen Gittern - bei plastischer Verformung

führt die Verschiebung der

(147)

5 Metalle

- Elektronengas erklärt gute elektrische und thermische Leitfähigkeit

- mit steigender Temperatur behindern die stärker schwingenden Atom- rümpfe die Elektronenbeweglichkeit

- freie Elektronen absorbieren Licht jeder Wellenlänge, daher sind Metalle undurchsichtig; grau-weißliches Aussehen durch Reflexion von Licht jeder Wellenlänge

(148)

5 Metalle

5.2 der metallische Zustand Die metallische Bindung - Bändermodell

- bildet sich aus isolierten Metallatomen ein Metallkristall, so spalten die diskreten Atomorbitale

zu einem „Energieband“

von vielen Zuständen unterschiedlicher

Energie auf

(149)

5 Metalle

5.2 der metallische Zustand Die metallische Bindung - Bändermodell Li

- Bänder bilden sich aus Elektronen ähnlicher Energie; sie können überlappen oder durch eine „verbotene Zone“ getrennt sein

(150)

5 Metalle

5.2 der metallische Zustand Die metallische Bindung - Bändermodell Be

- Bänder bilden sich aus Elektronen ähnlicher Energie; sie können überlappen oder durch eine „verbotene Zone“ getrennt sein

(151)

5 Metalle

Verdeutlichung von Elektronenleitungseigenschaften verschiedener Stoffgruppen mit dem

Bändermodell

(152)

5 Metalle

Verdeutlichung von Elektronenleitungseigenschaften von Halbleitern mit dem Bändermodell

(153)

5 Metalle

Verdeutlichung von Elektronenleitungseigenschaften von dotierten Halbleitern mit dem Bändermodell

(154)

5 Metalle

Verdeutlichung von Elektronenleitungseigenschaften von dotierten Halbleitern mit dem Bändermodell

(155)

5 Metalle

- bei dotierten wie bei Eigenhalbleitern nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zu