Halogene - Anorganische Chemie
Anorganische Chemie
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0:13 Hallo, schön, dass Sie hier sind. In diesem Video lernen Sie,
0:16 wie Sie Darstellung und Eigenschaften der Halogene sowie Trends in deren Reaktivität beschreiben können.
0:22 Unter der Bezeichnung Halogene werden die Elemente der Gruppe 17
0:26 bzw. Hauptgruppe 7 des Periodensystems der Elemente zusammengefasst. Infolge ihrer, im Gegensatz zu den rechts benachbarten Edelgasen,
0:36 ausgesprochen großen chemischen Reaktivität, kommen die Halogene in der Natur ausschließlich in gebundener Form vor.
0:44 Hierbei liegen sie in der Regel in der Oxidationsstufe -I als Halogenide, im Fall des Iods auch in der Oxidationsstufe +V als Iodate vor.
0:57 Als neutrale Elemente weisen sie eine Elektronenkonfiguration S2 P5 auf und besitzen somit in atomarer Form ein ungepaartes Elektron.
1:07 Dies führt dazu, dass die Halogene unter den meisten Bedingungen als diatomare Moleküle vorliegen,
1:13 in denen je zwei Atome ihre ungepaarten Elektronen zu einem gemeinsamen Bindungselektronenpaar verbunden haben.
1:22 Die Halogene sind durch eine sehr große Elektronegativität, hier EN, gekennzeichnet.
1:28 Wobei das Fluor das elektronegativste der Elemente ist. Im gleichen Maße wie die Elektronegativität
1:35 nimmt auch die Ionisierungsenergie vom Fluor zum Iod regelmäßig ab. Eine Folge hiervon ist auch eine Abnahme der Reaktivität
1:44 in gleicher Richtung vom Fluor zum Iod. Näheres hierzu aber an anderer Stelle.
1:50 Wichtige fluorhaltige Mineralien sind der Flussspat, der auch als Fluorit bezeichnet wird
1:55 und chemisch als CaF2 zu beschreiben ist, sowie die Mineralien Kryolith und Fluorapatit.
2:02 Das Mineral Fluorapatit ist hierbei formell ein Doppelsalz aus Calciumphosphat und Calciumfluorid.
2:10 Wichtige Chloride sind das Steinsalz, das Sie auch als Tafelsalz kennen, sowie verschiedene Kalium- und Magnesiumhaltige Mineralien,
2:18 wie Sylvin, Carnallit, Bischofit und Kainit, wobei letzteres wiederum ein Doppelsalz ist.
2:26 Die weniger häufigen Bromide, wie beispielsweise das Mineral Bromargyrit, kommen hauptsächlich gemeinsam mit analog zusammengesetzten Chloriden vor.
2:36 Bemerkenswert große Mengen Bromid finden sich im Meerwasser, wo man es in Konzentrationen von bis zu 100 Gramm je Kubikmeter findet,
2:44 sowie in einigen Solequellen und insbesondere im Toten Meer. Hier findet man im Bereich einiger 100 ppm ebenfalls vergleichsweise große Mengen
2:55 des an sich selteneren Elements Iod, das als Iodid aber, im Unterschied zu den übrigen Halogenen, auch als Iodat vorkommt.
3:04 So weist insbesondere der in Chile gewonnene Chilesalpeter bis zu 1% Anteil auf.
3:13 Sehen wir uns zunächst die Eigenschaften der einzelnen Elemente an, die durchgehend als diatomare Moleküle vorkommen.
3:20 Das Fluor ist bei Raumtemperatur ein blass-gelbliches Gas mit einem Siedepunkt von -188°C.
3:28 Wegen seiner ausgesprochen großen Reaktivität ist es stark ätzend und entsprechend giftig für den menschlichen Körper.
3:36 Da das Fluor selbst das stärkste Oxidationsmittel unter den Elementen ist, erfolgt die technische Darstellung elektrochemisch.
3:45 Hierzu wird wasserfreier, flüssiger Fluorwasserstoff verwendet, der durch Umsatz des natürlich vorkommenden Flussspats
3:51 mit konzentrierter Schwefelsäure gewonnen werden kann. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit
3:58 werden dem Fluorwasserstoff unterschiedliche Mengen an Kaliumfluorid zugesetzt.
4:04 Die erhaltene Salzschmelze kann dann bei Temperaturen zwischen 70 und 130°C elektrolysiert werden,
4:12 wobei elementares Fluor und entsprechende Mengen Wasserstoff gewonnen werden. Das Fluor ist in seinen chemischen Eigenschaften
4:22 das reaktivste der bekannten Elemente und wirkt stark oxidierend. Stärkere Oxidationsmittel sind nur einige endotherme Fluorverbindungen,
4:31 wie einige Edelgas- oder Halogenfluoride. Das Elemente Chlor ist ein ähnlich gelblich-grünes,
4:38 erstickend riechendes Gas mit einem Siedepunkt von -34°C, das zweieinhalb mal so schwer wie die Luft ist
4:44 und sich recht leicht verflüssigen lässt. Seine Darstellung kann ebenfalls elektrolytisch erfolgen,
4:51 allerdings können in diesem Fall, im Gegensatz zum Fluor, wässrige Minerallösung verwendet werden.
4:57 Das hierbei eingesetzte Mineral ist das technisch leicht verfügbare Natriumchlorid.
5:04 Das Chlor kann auch chemisch beispielsweise nach dem sogenannten Deacon-Verfahren gewonnen werden.
5:10 Hierbei wird Chlorwasserstoff mit Hilfe eines Kupfer(I)chlorid- haltigen Katalysators
5:14 mit Luftsauerstoff als Oxidationsmittel zu elementarem Chlor oxidiert.
5:21 Sofern Chlor vor Ort für den Laborbedarf hergestellt werden soll, kann auf andere Oxidationsmittel, wie beispielsweise das Mangandioxid,
5:29 den sogenannten Braunstein, zurückgegriffen werden. Der hierfür erforderliche Chlorwasserstoff kann ebenfalls vor Ort
5:36 durch Einwirken von konzentrierter Schwefelsäure auf Natriumchlorid erzeugt werden,
5:41 sodass der Transport von reaktiven Gasen entfällt. In seinen chemischen Eigenschaften weist das Chlor
5:47 viele Ähnlichkeiten mit dem Fluor auf. Es reagiert stark exotherm mit fast allen Elementen
5:52 mit Ausnahme der Edelgase, dem Sauerstoff und dem Stickstoff. Die Reaktion mit Alkali- und Erdalkalimetallen
5:59 ist hierbei von starken Lichterscheinungen begleitet. Bei der Reaktion mit vielen Metallen wirkt Wasser katalytisch,
6:06 so dass trockenes Chlor oft deutlich weniger reaktiv ist, als feuchtes. Die Reaktion mit anderen Nichtmetallen erfolgt oft heftig.
6:14 Die Mischung des Chlors mit Wasserstoff wird daher auch Chlorknallgas genannt, das photochemisch gezündet werden kann.
6:22 Der initiale Reaktionsschritt ist hierbei die Spaltung eines Chlormoleküls in 2, aufgrund je eines ungepaarten Elektrons, hochreaktive Chloratome.
6:31 Die Elemente Brom und Iod unterscheiden sich von den zuvor besprochenen Halogenen zunächst einmal durch ihren Aggregatzustand.
6:38 Während das Brom mit einem Schmelzpunkt von minus 7 Grad und einem Siedepunkt von knapp 60 Grad Celsius bei Raumtemperatur
6:45 eine tiefbraune Flüssigkeit ist, bildet das Iod grauschwarze, metallisch glänzende Schuppen,
6:51 die bei etwa 114°C schmelzen. Nichtsdestoweniger sind sowohl das Brom als auch das Iod bereits bei Raumtemperatur
7:00 sehr flüchtig und bilden im Fall des Broms kräftig rot-braune und im Fall des Iods intensiv-violette Dämpfe.
7:07 Überlegen Sie gerne einmal, wie die unterschiedlichen Aggregatzustände der genannten vier Halogene erklärt werden können.
7:14 Da das Brom weniger stark oxidierend ist, als das Chlor, kann es durch das Chlor aus seinen Verbindungen verdrängt werden.
7:21 So kann elementares Brom beispielsweise durch Einwirken von Chlor auf Magnesiumbromid-haltige sogenannte Endlaugen gewonnen werden.
7:30 Solche Endlaugen fallen beispielsweise in der Produktion von Kaliumchlorid aus Carnallit an.
7:38 Elementares Iod wird demgegenüber reduktiv ausgehend von Iodat-haltigen Mineralien, wie dem Chile-Salpeter, gewonnen.
7:46 Hierbei wird die dem Iodat zugrundeliegende Iodsäure HIO3 durch Schweflige Säure H2SO3 zu Iodwasserstoff HI reduziert.
7:57 Der so zunächst gebildete Iodwasserstoff wird anschließend wiederum durch die im Überschuss vorliegende Iodsäure zu Iod oxidiert.
8:05 Da hierbei aus einer Iodverbindung mit einer niedrigen Oxidationsstufe, dem Iodwasserstoff, und einer Verbindung mit einer vergleichsweise
8:13 hohen Oxidationsstufe, der Iodsäure, eine Verbindung mit einer mittleren Oxidationsstufe, dem Iod, gebildet wird,
8:20 handelt es sich bei diesem Schritt formell um eine Komproportionierungsreaktion. Insgesamt wird in der gesamten Reaktionsfolge somit
8:28 ausgehend von der Iodsäure durch Reduktion mit Schwefliger Säure elementares Iod gebildet, wobei als Nebenprodukte Schwefelsäure
8:37 und Wasser anfallen. Die Halogene finden insgesamt sehr vielfältige Verwendungsmöglichkeiten.
8:43 Das Fluor dient hauptsächlich zur Herstellung anorganischer und organischer Fluorverbindungen,
8:49 die an anderer Stelle noch näher vorgestellt werden. Zu den technisch wichtigen Verbindungen des Fluors zählen das SF6,
8:57 das als sehr reaktionsträges Isoliergas in der Hochspannungstechnik eingesetzt wird, das Uranhexafluorid, ein wichtiges Zwischenprodukt
9:05 im Anreicherungsprozess der Urangewinnung und das Calciumfluorid, das als Fließmittel in der Metallurgie eingesetzt wird.
9:14 Das Chlor wird hauptsächlich als Oxidationsmittel, zum Beispiel für die Brom-Produktion eingesetzt
9:19 und dient in der organischen Chemie als Chlorierungsmittel. Die z.T. sehr reaktiven Chlorverbindungen
9:25 werden vielfältig als Bleich- und Desinfektionsmittel eingesetzt. Brom und Iod sowie deren anorganische Verbindungen dienen ganz analog
9:35 ebenfalls als Oxidations-, Bleich und Desinfektionsmittel. Wichtige organische Verbindungen können teils durch direkt Bromierung
9:45 oder Iodierung hergestellt werden. Technisch finden Brom- und Iod-haltige organische Verbindungen
9:53 als Brandhemmer Verwendung. Iod ist zudem ein für die menschliche Ernährung wichtiges Spurenelement,
10:00 das im menschlichen Körper hauptsächlich für die Produktion lebensnotwendiger Schilddrüsenhormone benötigt wird.
10:06 Entsteht ein Jodmangel kann es zu einer Größenzunahme der Schilddrüse und zu einem Mangel an Schilddrüsenhormonen führen.
10:14 In Deutschland wird das Speisesalz daher mit Iodiden angereichert. Die folgenden Reaktionen stehen beispielhaft
10:21 für die Reaktivität der Halogene gegenüber anderen Elementen oder einfachen Verbindungen.
10:27 Das Fluor wirkt stark oxidierend nicht nur auf das sonst recht stabile Wassermolekül, wobei elementarer Sauerstoff gebildet wird.
10:35 Es vermag auch andere Halogene, wie das Iod bis zum Iodheptafluorid mit Oxidationsstufe plus sieben oxidativ zu fluorieren.
10:45 Letztlich ist es sogar in der Lage so unreaktive Elemente, wie die Edelgase zu fluorieren,
10:50 wie hier am Beispiel der Darstellung des Xenontetrafluorids gezeigt. Das Chlor ist weniger reaktiv, oxidiert aber viele Haupt- und Nebengruppenmetalle,
10:59 wie hier beispielhaft das Natrium und das Kupfer zum Natriumchlorid bzw. Kupferdichlorid.
11:06 Halb- und Nichtmetalle werden ebenfalls meist bis zur für das jeweilige Element höchstmöglichen Oxidationsstufe oxidiert,
11:13 wie hier am Beispiel des Antimons gezeigt, dass in die Oxidationsstufe plus-drei im Antimontrichlorid
11:20 oder -mit überschüssigem Chlor- in die Oxidationsstufe plus fünf im Antimonpentachlorid überführt werden kann.
11:28 Die Oxidation des Ammoniaks, als Beispiel für eine Hauptgruppenelementverbindung, führt zu dem thermodynamisch stabilen Distickstoffmolekül.
11:38 Das Brom ist deutlich weniger reaktiv als die beiden vorgenannten Halogenide, kann aber vielen Wasserstoffverbindungen oxidativ den Wasserstoff entziehen,
11:47 wie hier am Beispiel des Schwefelwasserstoffs gezeigt, aus dem so elementarer Schwefel freigesetzt wird.
11:54 Das Iod ist ein vergleichsweise schwaches Oxidationsmittel. Ein besonderes Merkmal ist seine Neigung zur Ausbildung von Anlagerungsverbindungen.
12:03 So werden mit Halogenid-Ionen, wie insbesondere dem Iodid, kettenförmige Polyhalogenid-Ionen gebildet.
12:10 Das bekannteste Beispiel ist sicher das Trihalogenid-Monoanion. Das durch die Reaktion von Iod mit einem Iodid-Salz entsteht.
12:17 Abhängig von der Stöchiometrie und den Bedingungen können aber auch längerkettige Polyhalogenide
12:23 mit bis zu neun oder mehr Iodatomen gebildet werden, wobei neben einwertigen auch höherwertige Polyhalogenide dargestellt werden können.
12:32 Einige Beispiele für die Strukturen dieser Verbindungen sind in dieser Abbildung dargestellt.
12:37 Bei der Betrachtung der ebenfalls mit aufgeführten Bindungslängen wird deutlich, dass in vielen Strukturen kürzere Abstände zwischen je zwei Atomen
12:46 auf den Ursprung dieser Einheit aus einem Iodmolekül hindeuten. Zusammenfassend haben wir uns in diesem Video mit den Eigenschaften der Halogene
12:54 in der Gruppe sieben des Periodensystems auseinandergesetzt. Insbesondere haben Sie gelernt,
13:00 wie Sie die Halogene in der Industrie und im Labor herstellen und deren technisches und synthetisches Potential nutzen können.
13:08 Versuchen Sie sich nun einmal selbst daran, das Potential der Halogene in verschiedenen Beispielszenarien einzusetzen.