Halogenverbindungen des Phosphors - Trihalogenide- 4.6 Elemente der 5. Hauptgruppe 4 Nichtmetalle

(1)

4 Nichtmetalle

4.6 Elemente der 5. Hauptgruppe Halogenverbindungen des Phosphors - Trihalogenide

-

(2)

4 Nichtmetalle

4.6 Elemente der 5. Hauptgruppe

Halogenverbindungen des Phosphors - Trihalogenide -

Die Trihalogenide hydrolysieren leicht zur Phosphonsäure:

(3)

4 Nichtmetalle

4.6 Elemente der 5. Hauptgruppe Halogenverbindungen des Phosphors - Pentalogenide

(4)

4 Nichtmetalle

Halogenverbindungen des Phosphors - Pentalogenide - PF₅ ist ein ein farbloses, hydrolyseempfindliches Gas

- PF₅ läßt sich aus PCl₅ durch Chlor-Fluor-Austausch mit AsF₅darst.

- intermediär treten die Mischhalogenide PCl_nF_5-n auf

- elektronegativere Liganden (F ggüber Cl) besetzen axiale Positionen - PF₅ reagiert als starke Lewis-Säure mit F^- zu PF₆^-

(5)

4 Nichtmetalle

4.6 Elemente der 5. Hauptgruppe Halogenverbindungen des Phosphors - Pentalogenide

- die Pentahalogenide hydrolysieren leicht zu Phosphorsäure und HX

(6)

4 Nichtmetalle

Halogenverbindungen des Phosphors - Pentalogenide

- die Pentahalogenide hydrolysieren leicht zu Phosphorsäure und HX

Strukturen

(7)

4 Nichtmetalle

4.6 Elemente der 5. Hauptgruppe Schwefel - Phosphor - Verbindungen

- bekannt sind binäre Sulfide P₄S_n mit n = 3 bis 10

(8)

4 Nichtmetalle

(9)

4 Nichtmetalle

(10)

4 Nichtmetalle

Phosphor - Stickstoff - Verbindungen

- Chlorphosphazene entstehen aus PCl₅ und NH₄Cl im Autoklaven

- es entstehen cyclische oder polymere Verbindungen (NPCl₂)₃

(NPCl₂)₃ (NPCl₂)_n

(11)

4 Nichtmetalle

Phosphor - Stickstoff - Verbindungen

- die Chloratome in (NPCl₂)_nlassen sich z.B. durch F, Br, SCN, NR₂, CH₃, C₆H₅, OR und andere ersetzen

- Hydrolysebeständigkeit durch Gruppen wie OR, NR₂ oder R:

Verwendung als + Faser + Schläuche + Folie + Gewebe

- Ersatz von Cl durch OCH₂F₃ führt zu Inertmat. (Organersatzteile)

(12)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Arsens - Sauerstoffverbindungen

- Arsen(III)oxid As₂O₃ (Arsenik) : weißes, sublimierbares Pulver - entsteht aus den Elementen durch Verbrennung oder

- technisch beim Abrösten arsenhaltiger Erze

- kubische Modifikation sowie Dampf besteht aus As₄O₆- Molekülen - monokline Modifikation

liegt polymer in

gewellten Schichten vor

(13)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Arsens - Sauerstoffverbindungen

- Arsen(III)oxid As₂O₃ (Arsenik) : weißes, sublimierbares Pulver - stark giftig (bereits 100 mg letal)

- mäßig in Wasser löslich unter Bildung arseniger Säure H₃AsO₃

- durch Oxidation von As oder As₂O₃ mit HNO₃ erhält man Arsensäure H₃AsO₄

- von ihr sind drei Reihen Arsenate ableitbar

- As₂O₅ kann durch Entwässerung von H₃AsO₄, nicht durch Verbrennung von As hergestellt werden

(14)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Arsens - Schwefelverbindungen

- bekannt sind die binären Verbindungen As₄S_n (n = 3,4 5, 6, 10) - natürlich kommen As₄S₄(Realgar)

(15)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Arsens - Schwefelverbindungen

- bekannt sind die binären Verbindungen As₄S_n (n = 3,4 5, 6, 10) - natürlich kommen As₄S₄(Realgar) und As₄S₃(Auripigment) vor

(16)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Arsens - Halogenverbindungen

- bekannt sind die binären Halogenide AsX₃, As₂X₄ und AsX₅ - Herstellung aus den Elementen

- mit Wasser erfolgt Hydrolyse

(17)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Antimons - Sauerstoffverbindungen - beim Verbrennen an der Luft entsteht Sb₂O₃

- wie beim Arsenoxid eine kubische Modifikation (Sb₄O₆ - Moleküle) - bei 606 °C Umwandlung in die rhombische Modifikation:

polymere Kettenstruktur

(18)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Antimons - Schwefelverbindungen

- Antimon(III)-sulfid Sb₂S₃ fällt aus sauren Sb(III) - Lösungen beim Einleiten von H₂S als amorpher orangeroter Niederschlag aus

- beim Erhitzen entsteht die stabile grauschwarze kristalline Modifikation, die auch in der Natur vorkommt

(19)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Antimons - Schwefelverbindungen

- Antimon(III)-sulfid Sb₂S₃ fällt aus sauren Sb(III) - Lösungen beim Einleiten von H₂S als amorpher orangeroter Niederschlag aus

- beim Erhitzen entsteht die stabile grauschwarze kristalline Modifikation, die auch in der Natur vorkommt

- Sb₂S₃ ist orangerot und wird in Zündholzköpfen als brennbare Komponente verwendet

(20)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Bismuts

- aus Bismutsalzlösungen fällt mit Alkalilauge Bi₂O₃ xH₂O als flockiger, weißer Niederschlag aus

- beim Erhitzen entsteht daraus gelbes Bi₂O₃ - Bismutate kann man wie folgt erhalten:

(21)

4 Nichtmetalle

Verbindungen des Bismuts

- die Bismuttrihalogenide BiX₃ sind kristalline Substanzen - Herstellung erfolgt nach:

- die Hydrolyse ergibt Bismuthalogenidoxide:

(22)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Gruppeneigenschaften

(23)

4 Nichtmetalle

-

(24)

4 Nichtmetalle

 C

(25)

4 Nichtmetalle

 C Si 

(26)

4 Nichtmetalle

 C Si 

 Ge

(27)

4 Nichtmetalle

 C Si 

 Ge Sn 

(28)

4 Nichtmetalle

 C Si 

 Ge Sn  Pb

(29)

4 Nichtmetalle

-

(30)

4 Nichtmetalle

-

(31)

4 Nichtmetalle

-

(32)

4 Nichtmetalle

(33)

4 Nichtmetalle

- charakteristisch für das C-Atom ist seine Fähigkeit, mit anderen Nichtmetallatomen Mehrfachbindungen einzugehen:

(34)

4 Nichtmetalle

Gruppeneigenschaften

- charakteristisch für das C-Atom ist seine Fähigkeit, mit anderen Nichtmetallatomen Mehrfachbindungen einzugehen

- wichtigste Oxidationsstufen sind +2 und +4;

- mit wachsender Ordnungszahl nimmt die Stabilität der Verbdg. mit der Oxidationszahl +2 zu, die der Oxidationszahl +4 ab:

+ PbH₄ und PbC_l4 sind unbeständig, CH₄ und CCl₄ sehr stabil

+ nur beim Pb sind die Pb(II) Verbdg. stabiler

(35)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Vorkommen

- Kohlenstoff kommt elementar als Diamant oder Graphit vor

(36)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Kohlenstoff kommt elementar als Diamant oder Graphit vor

- daneben existieren die Fullerene, sphärisch geformte kondensierte Ringsysteme, z.B. C₆₀, das

z.B. in Kohle aus dem

Präkambrium nachweisbar ist

(37)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Kohlenstoff kommt elementar als Diamant oder Graphit vor - chemisch gebunden in Carbonaten:

+ Dolomit CaCO₃ * MgCO₃

Dolomiten / Südtirol

(38)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Kohlenstoff kommt elementar als Diamant oder Graphit vor - chemisch gebunden in Carbonaten:

+ Dolomit CaCO₃ * MgCO₃ + Magnesit MgCO₃

+ Siderit FeCO₃

+ Malachit Cu₂[(OH)₂CO₃] + Azurit Cu₃[OHCO₃]₂

+ Rhodochrosit MnCO₃

(39)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Kohlenstoff kommt elementar als Diamant oder Graphit vor - chemisch gebunden in Carbonaten

- im Pflanzen- und Tierreich wesentl. Bestandteil aller Organismen

(40)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- aus urweltlichen Pfl. und Tieren

entstanden Kohlen, Erdöl, Erdgas

(41)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- im Pflanzen- und Tierreich wesentl. Bestandteil aller Organismen - aus urweltlichen Pfl. und Tieren entstanden Kohlen, Erdöl, Erdgas

Braun-

Kohle

Stein-

(42)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Die Luft enthält > 0,03 Vol. % CO₂,

das Meerwasser 0,005 % CO₂

(43)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- im Pflanzen- und Tierreich wesentl. Bestandteil aller Organismen - aus urweltlichen Pfl. und Tieren entstanden Kohlen, Erdöl, Erdgas - Die Luft enthält > 0,03 Vol. % CO₂, das Meerwasser 0,005 % CO₂ - Die C-Mengen in Biosphäre: Atmosphäre: Hydrosphäre: Lithosphäre verhalten sich wie: 1 : 2 : 50 : 100.000

(44)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Silicium ist das zweithäufigste Element der Erdkruste - kein elementares Vorkommen, sondern als

- SiO₂ und in einer Vielzahl von Silikaten

Quarz, SiO₂

(45)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Germanium kommt nur in seltenen sulfidischen Mineralien vor

- Ausgangsmaterial zur Elementdarstellung ist Germanit Cu₆FeGe₂S₈

Germanit, Namibia

(46)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Zinn kommt selten elementar vor

- wichtigstes Zinnerz ist Zinnstein (Cassiterit)

Neumexiko

(47)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Zinn kommt selten elementar vor

- wichtigstes Zinnerz ist Zinnstein (Cassiterit) - seltener ist Zinnkies (Stannin) Cu₂FeSnS₄

bild Zinnkies,

Hunan, China

(48)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Blei kommt in folgenden Erzen vor:

+ Bleiglanz (Galenit) PbS

Sweetwater, USA

(49)

4 Nichtmetalle

Vorkommen

- Blei kommt in folgenden Erzen vor:

+ Bleiglanz (Galenit) PbS + Weißbleierz PbCO₃

+ Rotbleierz PbCrO₄ + Gelbbleierz PbMoO₄ + Scheelbleierz PbWO₄ + Anglesit PbSO₄

alle natürlichen Bleivorkommen sind Pb(II)-Verbindungen Anglesit, Marokko

(50)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Die Elemente

- die

(51)

4 Nichtmetalle

Die Elemente - Kohlenstoff

- Kohlenstoff kristallisiert in den Modifikationen Diamant und Graphit - Im Diamant ist jedes C-Atom tetraedrisch von vier anderen C-

Atomen umgeben

- sp³ -Hybridüberlappung; hohe C-C Bindungsenergie (348 kJ/mol)

(52)

4 Nichtmetalle

- Kohlenstoff kristallisiert in den Modifikationen Diamant und Graphit - Im Diamant ist jedes C-Atom tetraedrisch von vier anderen C-

Atomen umgeben

- sp³ -Hybridüberlappung; hohe C-C Bindungsenergie (348 kJ/mol) - daraus folgen große Härte (Mohs 10)

und Glanz (Edelsteine)

(53)

4 Nichtmetalle

- Graphit kristallisiert in Schichtstrukturen

- innerhalb jeder Schicht hat jedes C-Atom 3 Nachbarn - sp² -Hybridisierung mit 120 °

Graphit, Sri Lanka

(54)

4 Nichtmetalle

- innerhalb jeder Schicht hat jedes C-Atom 3 Nachbarn - sp² -Hybri-

disierung mit 120 °

(55)

4 Nichtmetalle

- innerhalb jeder Schicht hat jedes C-Atom 3 Nachbarn - sp² -Hybridisierung mit 120 °

- metallischer Glanz und Leitfähigkeit innerhalb der Schichten durch gut bewegliche -Elektronen

- C-C Abstand im diamant 154 pm, im Graphit inn. d. Sch. 142 pm - zwischen den Schichten 335 pm  0,0001 d. Leitfähigkeit!

(56)

4 Nichtmetalle

Die Elemente - Kohlenstoff - Verwendung als

+ Schmiermittel

+ Elektrodenmaterial + Bleistiftminen

- Graphit verbrennt an der Luft bereits bei 700 °C zu CO₂

(57)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Die Elemente - Kohlenstoff

- Koks, Ruß und Holzkohle : schlecht kristallisierter, verunreinigter mikrokristalliner Graphit

(58)

4 Nichtmetalle

- Aktivkohle : feinkristalline, lockere Graphitform mit großer Ober- fläche (1000 m²/g)

Bild Fußballfeld

- Erzeugung durch Erhitzen von Holz, tierischen Abf. oder Rohrzucker

unter Zusatz von Sinterverhinderern (ZnCl₂)

(59)

4 Nichtmetalle

Die Elemente - Kohlenstoff - Aktivkohle : Verwendung :

+ Spiritusentfuselung

+ Entfärbung von Lösungen

(60)

4 Nichtmetalle

Die Elemente - Kohlenstoff - Aktivkohle : Verwendung :

+ Spiritusentfuselung

+ Entfärbung von Lösungen + Gasmaskeneinsätze

+ Abwasserreinigung

(61)

4 Nichtmetalle

Die Elemente - Silicium, Germanium, Zinn, Blei

- Si, Ge und graues Zinn kristallisieren ebenfalls im Diamantgitter - das (nichtmetallische) graue Zinn ist nur unterhalb 13 °C beständig;

darüber ist das met. Zinn (-Zinn) stabiler

(62)

4 Nichtmetalle

(63)

4 Nichtmetalle

- Blei kristallisiert in einer typischen Metallstruktur (kub. dichteste P.) - bläulichgrau, frische

Schnittflächen zeigen Metallglanz

- duktil

(64)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Die Elemente - Darstellung, Reaktion, Verwendung

- technisch wird Si durch Reduktion von Quarz mit Kohle hergestellt

(65)

4 Nichtmetalle

(66)

4 Nichtmetalle

(67)

4 Nichtmetalle

Die Elemente - Darstellung, Reaktion, Verwendung

- technisch wird Si durch Reduktion von Quarz mit Kohle hergestellt

- hochreines Si für Halbleiterzwecke erhält man nach:

(68)

4 Nichtmetalle

Die Elemente - Darstellung, Reaktion, Verwendung - hochreines Si für Halbleiterzwecke erhält man nach:

- daraus gewinnt man Silicium- einkristalle nach dem

Zonenschmelzverfahren

(69)

4 Nichtmetalle

Die Elemente - Darstellung, Reaktion, Verwendung - Verwendung findet Si in der Halbleitertechnik

Fotozellen auf Siliciumbasis

(70)

4 Nichtmetalle

- Si reagiert bei RT nur mit Fluor; mit den anderen halogenen, O₂, N2, S, C und vielen Metallen erst bei hohen Temperaturen

- Passivierung bei Säureeinwirkung - in heißen Laugen Rkn.:

(71)

4 Nichtmetalle

- Germanium wird über aus Germanit mit Säuren erzeugtem GeO₂ gewonnen:

- reinstes Ge wird durch Zonenschmelzen erhalten

(72)

4 Nichtmetalle

- Zur Darstellung von Zinn wird Zinnstein mit Kohle reduziert:

- aus Weißblechabfällen wird Zinn elektrolytisch wiedergewonnen

(73)

4 Nichtmetalle

- Bei RT ist Sn ggüber Wasser und Luft beständig, von starken Säuren und Basen wird es angegriffen:

(74)

4 Nichtmetalle

- Zinn dient zur Herstellung von Geschirr

(75)

4 Nichtmetalle

- Zinn dient zur Herstellung von Geschirr, zum Verzinnen

(76)

4 Nichtmetalle

- Zinn dient zur Herstellung von Geschirr, zum Verzinnen, als Legierungsbestandteil

(77)

4 Nichtmetalle

- Zinn dient zur Herstellung von Geschirr, zum Verzinnen, als Legierungsbestandteil

+ Bronzen sind Cu-Sn- Legierungen

(78)

4 Nichtmetalle

- Für die Herstellung von Blei wird ausschließlich Bleiglanz PbS in 2 Verfahren verwendet:

(79)

4 Nichtmetalle

(80)

4 Nichtmetalle

(81)

4 Nichtmetalle

- Aufgrund Passivierung löst sich Pb trotz negativen Standard- potentials nicht in Schwefel-, Salz- oder Flußsäure

- In Gegenwart von Luftsauerstoff und Wasser wird Blei angegriffen:

(82)

4 Nichtmetalle

Die Elemente - Darstellung, Reaktion, Verwendung - Blei wird verwendet zur Herstellung von:

+ Bleirohren + Flintenschrot + Bleilagermetalle

+ Akkumulatorplatten

(83)

4 Nichtmetalle

Graphitverbindungen

- Graphit reagiert unter Erhalt seiner Schichtstruktur zu zahlreichen polymeren Verbindungen

- als kovalente Graphitverbindung erhält man aus Graphit und Fluor bei 400 - 600 °C Graphitfluorid CF_n; ab 700 °C CF₄

+ Schichtabstand 800 pm + keine -Elektronen:

* nichtleitend

* farblos

(84)

4 Nichtmetalle

Graphitverbindungen -

Aufsicht auf das Gitter von C₈K

(85)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Carbide

- C. sind Verbindungen des Kohlenstoffs mit Metallen und den Halbmetallen B und Si

- C. können in kovalente, salzartige und metallische C. eingeteilt werden

(86)

4 Nichtmetalle

- kovalente Carbide

+ Siliciumcarbid SiC (Carborund) ist sehr hart, thermisch und chemisch resistent, gut wärmeleitend und ein Halbleiter

+ es dient als Schleifmittel, sowie zur Herst. von feuerfesten Steinen und (Silit)heizstäben

(87)

4 Nichtmetalle

- kovalente Carbide

+ SiC dient als Schleifmittel, sowie zur Herst. von feuerfesten Steinen und (Silit)heizstäben

(88)

4 Nichtmetalle

- kovalente Carbide

+ SiC dient als Schleifmittel, sowie zur Herst. von feuerfesten Steinen und (Silit)heizstäben

+ technisch wird es aus Quarzsand und Koks hergestellt:

(89)

4 Nichtmetalle

- salzartige Carbide werdenmit elektropositiven Metallen gebildet - es sind hydrolyseempfindliche Feststoffe

- am häufigsten sind ionische Carbide mit dem Acetylenid - Ion ^CC^^2-

(90)

4 Nichtmetalle

- salzartige Carbide werdenmit elektropositiven Metallen gebildet - es sind hydrolyseempfindliche Feststoffe

- am häufigsten sind ionische Carbide mit dem Acetylenid - Ion ^CC^^2-

- Mit Wasser erfolgt Zersetzung zu Acetylen (Ethin)

(91)

4 Nichtmetalle

- Mit Wasser erfolgt Zersetzung zu Acetylen (Ethin)

Carbidlampen

(92)

4 Nichtmetalle

- CaC₂ besitzt große technische Bedeutung und wird aus Branntkalk und Koks im elektrischen Ofen dargestellt:

- die Hauptmenge wird zu Acetylen weiterverarbeitet

(93)

4 Nichtmetalle

- die Hauptmenge wird zu Acetylen

weiterverarbeitet

(94)

4 Nichtmetalle

- CaC₂ besitzt eine verzerrte NaCl - Struktur

(95)

4 Nichtmetalle

- außer den „Salzen des Acetylens“ gibt es noch solche ionische Carbide, die sich von den KW Methan und Propin ableiten lassen:

(96)

4 Nichtmetalle

- in den metallischen Carbiden besetzen Kohlenstoffatome die Lücken von Übergangsmetall - Gittern

- die entstehenden Stoffe besitzen + große Härte

+ hohe Schmelzpunkte

+ metallische Leitfähigkeit

(97)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs

- die wichtigsten Oxide des Kohlenstoffs sind das + Kohlen(stoff)monoxid CO und das + Kohlen(stoff)dioxid CO₂

daneben gibt es das

+ Kohlensuboxid C₃O₂ und das + Mellithsäureanhydrid C₁₂O₉

(98)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlenstoffmonoxid CO ist ein

+ farbloses, + geruchloses

+ sehr giftiges Gas (Fp. -204 °C, Kp. -191,5 °C), es ist + isoelektronisch zu Distickstoff

und ensteht bei unvollständiger Verbrennung von Kohlenstoff

(99)

4 Nichtmetalle

- technisch erhält man CO bei der Erzeugung von Wassergas

- CO ist neben H₂, CH₄, und etwas CO₂ und N₂ im Leuchtgas enth.

- im Labor stellt man CO durch Wasserentzug aus Ameisensäure her:

(100)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs

- an der Luft verbrennt CO mit blauer Flamme zu CO₂:

(101)

4 Nichtmetalle

- mit Übergangsmetallen bildet CO eine Vielzahl von Carbonylkomplexen

- folgende Reaktion dient zur Reindarstellung von Ni oder CO:

(102)

4 Nichtmetalle

- mit Übergangsmetallen bildet CO eine Vielzahl von Carbonylkomplexen

- folgende Reaktion dient zur Reindarstellung von Ni oder CO:

- große technische Bedeutung besitzt die Umsetzung von CO mit H₂:

(103)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - CO₂ - Kohlen(stoff)dioxid CO₂ ist ein

+ unbrennbares Gas

(104)

4 Nichtmetalle

+ unbrennbares Gas

+ eineinhalbmal dichter als Luft

(105)

4 Nichtmetalle

+ unbrennbares Gas

+ leicht zu verflüssigen (t_K = -31 °C, p_K = 73,7 bar) + bei Normaldruck Sublimation bei -78 °C

(106)

4 Nichtmetalle

+ unbrennbares Gas

+ leicht zu verflüssigen (t_K = -31 °C, p_K = 73,7 bar) + bei Normaldruck Sublimation bei -78 °C

+ 1 l H₂O löst bei NB 0,9 l CO₂

(107)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - CO₂

- das CO₂ - Molekül ist linear gebaut, C ist sp - hybridisiert

- Grenzstrukturen berücksichtigen Delokalisierung der -Elektronen

(108)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - CO₂

- CO₂ entsteht bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff

(109)

4 Nichtmetalle

- CO₂ entsteht bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff

- sowie als Nebenprodukt beim Kalkbrennen

(110)

4 Nichtmetalle

- CO₂ entsteht bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff - sowie als Nebenprodukt beim Kalkbrennen

- und im Labor durch Zersetzung von Carbonaten mit Säuren

Bild Carbonatzers

(111)

4 Nichtmetalle

- CO₂ entsteht bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff - sowie als Nebenprodukt beim Kalkbrennen

- und im Labor durch Zersetzung von Carbonaten mit Säuren - das beständige CO₂ zersetzt sich erst bei hohen Temperaturen

- zwischen C, CO und CO₂ existiert das sog. Boudouard - Gleichgew.

- auch durch H2 wird CO2 nur bei hohen Temperaturen reduziert

(112)

4 Nichtmetalle

- CO₂ist von größter Bedeutung für die belebte Natur:

+ Menschen und Tiere atmen es als Stoffwechselprodukt aus + Pflanzen nehmen es beim Assimilationsprozeß auf und

wandeln es mit Hilfe von Lichtenergie in Kohlenhydrate um

(113)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - CO₂

Bild CO2-Gehalt

(114)

4 Nichtmetalle

4.7 Elemente der 4. Hauptgruppe Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - C₃O₂und C₁₂O₉

- C₁₂O₉ ist eine „weiße“, sublimierbare, bei RT metastabile Substanz

(115)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlensäure und Carbonate - CO₂ ist das Anhydrid der Kohlensäure H₂CO₃

- eine wäßrige Lösung von CO₂ reagiert schwach sauer (pH 4-5):

- die Zusammenfass. der Gln 1 und 2 liefert den pK_S bezogen auf CO₂:

(116)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlensäure und Carbonate - H₂CO₃ läßt sich aus wäßriger Lösung nicht isolieren

- als zweibasige Säure bildet die Kohlensäure

+ Hydrogencarbonate (Bicarbonate) HCO₃^- + Carbonate CO₃^2-

+ weit verbreitet in vielen Modifikationen sind CaCO₃

und Dolomit CaMg(CO₃)₂

(117)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlensäure und Carbonate CaCO₃

(118)

4 Nichtmetalle

mesomeriestabilisiertes Carbonation

(119)

4 Nichtmetalle

+ schwerlösliches CaCO₃ wird durch CO₂-haltige

Wässer in lösliches Calciumhydrogencarbonat überf.

(120)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohleffs - Kohlensäure und Carbonate

+ schwerlösliches CaCO₃ wird durch CO₂-haltige Wässer in lösliches

Calciumhydrogencarbonat überführt

der natürliche Kalkkreislauf

(121)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlensäure und Carbonate - auf diese Weise entsteht die Carbonathärte (temporäre Härte) des Wassers

- Beim Erhitzen verschiebt sich das GG nach links und CaCO₃ fällt aus  Kesselsteinbildung, Tropfsteinhöhlen

bild

(122)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlensäure und Carbonate - auf diese Weise entsteht die Carbonathärte (temporäre Härte) des

Wassers

- Beim Erhitzen verschiebt sich das GG nach links und CaCO₃ fällt aus  Kesselsteinbildung, Tropfsteinhöhlen

- Zur Wasserenthärtung verw. man Polyphosph. oder Ionenaustauscher

(123)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlensäurederivate - Harnstoff CO(NH₂)₂ gilt als erste synthetisierte organische Verbindung (Wöhler 1828)

- technische Herstellung aus Ammoniak und Kohlendioxid:

- als Zwischenprodukt bildet sich das Ammoniumsalz der Carbaminsäure:

(124)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlensäurederivate - Phosgen COCl₂ ist das Dichlorid der Kohlensäure

- reaktionsfähiges, giftiges Gas (Grünkreuz!) - technische Herstellung aus CO und Cl₂

(125)

4 Nichtmetalle

Stickstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlensäurederivate Hydrogencyanid HCN (Blausäure)

- farblose, äußerst giftige, nach bitteren Mandeln riechende Flüssigkeit (Kp. 26 °C)

- schwache Säure - 2 Tautomere

- technische Darstellung aus Methan und Ammoniak

(126)

4 Nichtmetalle

Stickstoffverbindungen des Kohlenstoffs - Kohlensäurederivate Hydrogencyanid HCN (Blausäure)

- Salze sind die Cyanide mit dem Cyanidion CN^- - CN^- isoelektronisch mit CO und N₂

- Cyanide entwickeln mit Säuren HCN, Luft-CO₂ ist ausreichend

(127)

4 Nichtmetalle

Halogen- und Schwefelverbindungen des Kohlenstoffs

- CF₄: farbloses, sehr stabiles Gas; Endprodukt bei Graphitfluorierung - CCl₄: farblose unbrennbare Flüssigk. (Kp. 76 °C); chemisch träge,

Verwendung als Lösungsmittel und Feuerlöschmittel

- Kohlenstoffdisulfid CS₂ entsteht aus Schwefeldampf und Kohlenstoff

- farblose, sehr giftige, leicht entzündliche Flüssigkeit (Kp. 46 °C) - gutes LM für Fette, Öle, S, P und I

(128)

4 Nichtmetalle

Wasserstoffverbindungen des Siliciums

- Silicium bildet kettenförmige Silane der allgemeinen Zusammen- setzung Si_nH_2n+2 (entspricht den Alkanen)

- anders als Alkane sind Silane endotherme Verbindungen - beim Erhitzen zerfallen sie in die Elemente;

- an der Luft sind sie selbstentzündlich und verbrennen zu SiO₂ und H₂O

(129)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Siliciums

- SiO₂ ist im Gegensaztz zu CO₂ ein polymerer, harter Festkörper - Si-Atome sind sp³-hybridisiert und tetraedrisch mit vier Sauerstoff- atomen verbunden

(130)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Siliciums

- SiO₂ existiert in verschiedenen Modifikationen; Unterschied:

dreidimensionale Anordnung der SiO₄-Tetraeder

- rasches Abkühlen einer SiO₂-Schmelze führt zu metastabilem „Quarzglas“, das bei höhereren Temp. (tempern) kristallisiert

- gute Temperaturwechselbeständigkeit  hitzebeständige Apparate - UV-Licht Durchlässigkeit  Quarzlampen

- faserförmiges SiO₂ aus Oxidation von SiO:

(131)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Siliciums - Kieselsäuren, Silicate

- Orthokieselsäure H₄SiO₄ einfachste Sauerstoffsäure des Siliciums - nur in großer Verdünnung im GG beständig (< 0,002 mol/l)

- bei höherer Konz. spontane Kondensation zu Polykieselsäuren:

(132)

4 Nichtmetalle

- Orthokieselsäure H₄SiO₄ einfachste Sauerstoffsäure des Siliciums - nur in großer Verdünnung im GG beständig (< 0,002 mol/l)

- bei höherer Konz. spontane Kondensation zu Polykieselsäuren

- Kondensationsendprodukt ist SiO₂

- eine hochkondensierte Polykieselsäure ist das Kieselgel;

- in entwässerter Form Silicagel (große Oberfläche, Adsorptionsmittel)

(133)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Siliciums - Kieselsäuren, Silicate - Silicate (Salze der Kieselsäuren) sind als Hauptbestandteil der Erdkruste, sowie als technische Produkte von großer Bedeutung - in allen Silicaten besitzt Si die KZ 4 und bildet SiO₄-Tetraeder - die SiO₄-Tetraeder sind nur über gemeinsame Ecken verknüpft;

nie über Kanten oder Flächen

- die wichtigsten Silicattypen werden im Folgenden vorgestellt:

(134)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverbindungen des Siliciums - Kieselsäuren, Silicate Silicattypen

Zirkon, ZrSiO₄, Eifel

Phenakit, Be₂SiO₄Pakistan

(135)

4 Nichtmetalle

Bild Thortveitit, Sc₂Si₂O₇

Bild Barysilit, Pb₃Si₂O₇

(136)

4 Nichtmetalle

Silicattypen

Beryll, Al₂Be₃Si₆O₁₈ Brasilien

Bild Aquamarin

(137)

4 Nichtmetalle

Hornblende, etwa Si₆Al₂O₂₂ Odenwald

(138)

4 Nichtmetalle

Talk,

Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ dient als

Füllstoff in - Anstrichmitteln - Lacken,

sowie

(139)

4 Nichtmetalle

Silicattypen Speckstein

Zusatz in Pudern und Schminke

(140)

4 Nichtmetalle

Silicattypen - Glimmer sind Alumosilicate, ebenso

Muskovit, Norwegen

- Kaolinit Al₄Si₄O₁₀(OH)₈

(141)

4 Nichtmetalle

Gerüst- oder Tektosilicate - z.B. Felspate Al₄Si₄O₁₀(OH)₈

Nor- wegen

Orthoklas, KAlSi₃O₈ Spanien

Albit, NaAlSi₃O₈

(142)

4 Nichtmetalle

Gerüst- oder Tektosilicate - z.B. Zeolithe

(143)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverb. des Siliciums - Kieselsäuren, Silicate, Gläser Gläser

- sind ohne Kristallisation erstarrte Schmelzen

- Ordnung nur in kleinen Bezirken vorhanden (Nahordnung) - kein scharfer Schmelzpunkt,

sondern Erweichungsbereich

(144)

4 Nichtmetalle

- sind ohne Kristallisation erstarrte Schmelzen

- Ordnung nur in kleinen Bezirken vorhanden (Nahordnung) - kein scharfer Schmelzpunkt, sondern Erweichungsbereich - Glaszustand ist metastabil

- glasartiges Erstarren neben SiO₂ und Silicaten auch bei GeO₂, P₄O₁₀, As₂O₅, und B₂O₃

- Gläser im engeren Sinne bestehen aus SiO₂, Na₂O, K₂O, CaO

(145)

4 Nichtmetalle

- SiO₄-Tetraeder sind Netzwerkbildner, basische Oxide Netzwerkwandler

(146)

4 Nichtmetalle

kristallines SiO₂ glasiges SiO₂

(147)

4 Nichtmetalle

kristallines SiO₂ glasiges SiO₂ Glas mit Netzwerkwandlern

(148)

4 Nichtmetalle

- gewöhnliches Fenster-, Flaschenglas besteht aus Na₂O, CaO und SiO₂

(149)

4 Nichtmetalle

- gewöhnliches Fenster-, Flaschenglas besteht aus Na₂O, CaO und SiO₂ - Zusatz von K₂O liefert schwer schmelzbare Gläser

- Zusatz von PbO erhöht das

Brechungsvermögen (Bleikristallglas)

(150)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverb. des Siliciums - Kieselsäuren, Silicate, Gläser

- Färbungen werden durch Zusätze von Metalloxiden erzielt:

+ Fe(II)oxid färbt grün + Fe(III)oxid braun + Co(II)oxid blau + kolloide Metalle ergeben Rubinglas

+ festes SnO₂ oder Ca₃(PO₄)₂ trübt - Emaille ist getrübtes Schutzglas

(151)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverb. des Siliciums - Kieselsäuren, Silicate, Keramik - keramische Erzeugnisse entstehen durch Brennen von Tonen

- Tone bestehen aus Schichtsilicaten (z.B. Kaolinit, Montmorillonit)

(152)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverb. des Siliciums - Kieselsäuren, Silicate, Keramik - keramische Erzeugnisse entstehen durch Brennen von Tonen

- Tone bestehen aus Schichtsilicaten (z.B. Kaolinit, Montmorillonit) - Porzellan (50% Kaolin, 25% Quarz, 25% Feldspat) wird bei 1400- 1500 °C gebrannt

(153)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverb. des Siliciums - Kieselsäuren, Silicate - keramische Erzeugnisse

- wäßrige Lösungen von Alkalimetallsilicaten sind als Wasserglas im Handel

- Verwendung als + mineralischer Leim

+ Leimen und Imprägnieren von Papier + Konservierung

+ Flammschutzmittel für Holz und Gewebe

(154)

4 Nichtmetalle

Sauerstoffverb. des Siliciums - Kieselsäuren, Silicate - die Lösungen reagieren alkalisch:

- angesäuerte Lösungen kondensieren zu gallertigem SiO₂ · H₂O - Einbringen von Metallsalzkristallen in Wasser-

glaslösungen führt zu „chemischen Gärten“: