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Halogenverbindungen
im Alltag
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Gliederung
1. Eigenschaften der Halogene
2. Verwendung von Fluorverbindungen
3. Verwendung von Chlorverbindungen
4. Verwendung von Bromverbindungen
5. Verwendung von Iodverbindungen
6. Schulische Relevanz
7.Quellen der Abbildungen
2
1. Eigenschaften der Halogene
1. Eigenschaften der Halogene
• Griech. Halos (Salzbildner)
• Nichtmetalle
• Aggregatzustände:
–
–
–
–
Zweiatomige Moleküle
Fluor und Chlor bei Raumtemperatur gasförmig
Brom flüssig
Iod fest
3
3
1. Eigenschaften der Halogene
• Elektronenkonfiguration:
– 2 s- und 5 p-Elektronen
– Erreichen Edelgaskonfiguration durch:
a.) Bildung einer kovalenten Bindung
b.) Bildung eines einfach geladenen Anions
• Oxidationskraft/ Elektronegativität:
F2
Ox
F2
Cl2
Cl2
Br2
Br2
I2
I2
EN
4
1. Eigenschaften der Halogene
• Oxidationsstufen:
– Fluor: 0, -1
– Chlor: 0, -1, +3, +5, +7
– Brom: 0, -1, +3, +5, +7
– Iod: 0, -1, +3, +5, +7
• Vorkommen:
– Nur in gebundener Form aufgrund hoher
Reaktivität
– Reaktivste Elemente des PSE
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• Physiologische Eigenschaften:
– Fluor: stark ätzend; extrem giftig
1. Eigenschaften der Halogene
– Chlor: giftig; greift die Schleimhäute an;
umweltgefährlich
– Brom: Dämpfe sind Schleimhaut-reizend;
flüssiges Brom erzeugt schmerzhafte
Wunden auf der Haut; sehr giftig;
umweltgefährlich
– Iod: gesundheitsschädlich;
umweltgefährlich
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
2. Verwendung von Fluorverbindungen:
Kunststoffe:
• Polytetrafluorethen (Teflon®):
–
–
–
–
In der „Teflon®“-Pfanne
In Dichtungen
In Spezialtextilien (GORE-TEX®)
Von großer Bedeutung in der Elektro- und Luftfahrtindustrie
Kühl-/Treibmittel:
• Dichlordifluormethan (Frigen®)
• 1,1,1,2- Tetrafluorethan
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
FCKW in der Atmosphäre
CF2Cl2
h
CF2Cl + Cl
O3 + Cl
2 OCl
Cl2O2
ClO2
O2 + OCl
Cl2O2
ClO2 + Cl
O2 + Cl
2 O3
3 O2
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
• Fluorsalze (hauptsächlich NaF) :
– Zusatz in Zahnpasta, Speisesalz
und Trinkwasser
– Empfehlung der WHO: 1ppm
– Kariesprophylaxe
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2. Verwendung von Fluorverbindunge
Versuch 1:
Fluorid-Nachweis aus Zahnpasta
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
V1: Fluorid-Nachweis aus Zahnpasta
Fe3+(aq) + 3 SCN-(aq) + 3 H2O
[Fe(SCN)3(H2O)3](aq)
rot
[Fe(SCN)3(H2O)3](aq) + 6 F-(aq)
[FeF6]3-(aq) + 3 SCN-(aq)
farblos
+ 3 H2O
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
Weshalb Fluoride in Zahnpasta?
• Hauptbestandteil des Zahnschmelzes:
Hydroxylapatit Ca5(PO4)3OH (97%)
• Säureangriff des Hydroxylapatits:
Ca5(PO4)3OH(s)+ H3O+(aq)
5 Ca2+(aq) + 3 PO43-(aq) + 2 H2O
• Austausch der OH–-Ionen aus dem Hydroxylapatit
gegen Fluorid:
Ca5(PO4)3OH(s) +F–(aq)
Ca5(PO4)3F(s) + OH–(aq)
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
• Fluorapatit gegenüber Säuren stabil
• Wirksamer Säureschutz für die Zähne
• Fluorierung als wichtiger Bestandteil der
Kariesprophylaxe
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
• Flusssäure:
– Wässrige Lösung von HF (40%ig)
– Zum Ätzen und Polieren von Glas
– Verwendet in der Glasindustrie, bei
Restauratoren und in Künstlerbetrieben
– Glasätzcremes mit geringerer
Konzentration an HF im Hobbybedarf
– In der Jugendstilzeit erstmals geätzte
Scheiben unter dem Namen Musselinglas
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
Versuch 2:
Glasätzen mit Flusssäure
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
V2: Glasätzen mit Flusssäure
CaF2 (s) + H2SO4 (l)
SiO2 (s) + 4 HF(g)
2 HF(g) + CaSO4 (s)
SiF4 (g) + 2 H2O (l)
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
• Vorteil:
– Ätzmattierungen viel feiner in der Struktur als ein
sandgestrahltes Matt
• Nachteil:
– Sehr gefährliche Säure!
 HF diffundiert durch die Haut in den Organismus
und führt unter Zersetzung der Knochen zur
Ausfällung des Calciums
 Sehr giftig und stark wassergefärdend
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2. Verwendung von Fluorverbindungen
HF-Strukturen
• Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den
Molekülen:
F
F
H
120°
-
H
H
F
Kristallines HF
F
H
H
F
F
H
F
F
H
H +
F
H
H
F
Gasförmiges HF
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
3. Verwendung von Chlorverbindungen
Kunststoffe
• PVC (Polyvinylchlorid):
– Stabiler Werkstoff mit
besonderer
Widerstandsfähigkeit
– In Rohren, Fensterprofilen,
Leisten, Schläuchen und
Fußböden
– Nachteil: Entstehung von
Dioxinen und HCl-Gas bei der
Verbrennung
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
Lösungsmittel:
• Dichlormethan (Methylenchlorid):
– Lösungsmittel und Extraktionsmittel für Öle,
Coffein, Harze, Wachse und in
Fleckenreinigungsmittel enthalten
– Kleber für Plexiglas
• Trichlormethan (Chloroform):
– Früher als Anästhetikum
• Tetrachlorethen (Per):
– In der chemischen Reinigung eingesetzt
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
Pflanzenschutzmittel
• DDT (Dichlordiphenyltrichlorethan)
Cl
Cl
CCl3
Medikamente
• In Nasensprays
• In vielen Antibiotika
• In Antimykotika
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
Kühlmittel:
• Dichlordifluormethan (Frigen®)
Treibmittel:
• Trichlorfluormethan
• Dichlordifluormethan
Bleichmittel/Desinfektionsmittel
•
•
•
•
Elementares Chlor
Hypochlorit-Lösungen
Chlorite
Chlordioxid
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
Versuch 3:
Chlorgasentwicklung aus
Haushaltsreiniger
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
V3 Chlorgasentwicklung aus Haushaltsreiniger
• Chlorreiniger mit Essigreiniger:
+1
-1
0
NaOCl(aq) + NaCl(aq) + 2 H3O+(aq)
2 Na+(aq) + 3 H2O + Cl2(g)
(Komproportionierung)
• Nachweis des entstehenden Chlorgases:
-1
0
0
2 KI(aq) + Cl2(g)
I2(aq) + 2 K+(aq) + 2 Cl-(aq)
farblos
0
-1
I2(aq) + I-(aq)
-1
-1
I3-(aq)
braun
(Charge-Transfer-Komplex)
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
Warum Chlorbleiche?
OCl-(aq) + H2O
-2 +1
-2
HOCl(aq) + OH-(aq)
HOCl(aq) + OH-(aq)
-2
-1
0
H2O + Cl-(aq) + ½ O2 (g) (nascier.)
Nascierender Sauerstoff für Bleichwirkung
verantwortlich
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
• Natriumchlorid:
– Als Nahrungsmittel (Speisesalz)
• Kaliumchlorat:
– In Feuerwerkskörpern
– In Streichhölzern
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
Demonstration 1:
Die Reaktion im
Streichholzkopf
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
D1 Die Reaktion im Streichholzkopf
Zusammensetzung der Zündhölzer:
Kaliumchlorat,
Braunstein,
Schwefel,
Gelatine,
Glasmehl
Wachs
Roter
Phosphor
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
D1 Die Reaktion im Streichholzkopf
1.) Reibung erzeugt Wärme; Phosphorspuren
gelangen an das Zündköpfchen
2.) Phosphor reagiert mit Luftsauerstoff und
Kaliumchlorat (stark exotherm):
0
0
+5 -2
4 P (s) + 5 O2 (g)
+5
P4O10 (s)
0
10 KClO3 (s) + 12 P(s)
H < 0
-1
+5
10 KCl (s) + 3 P4O10 (s)
H < 0
 das Gemisch entzündet sich
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3. Verwendung von Chlorverbindungen
3.) Freiwerdende Energie startet Reaktion von
Kaliumchlorat und Schwefel (stark exotherm):
+5
0
2 KClO3 (s) + 3/8 S8 (s)
-1
+4
2 KCl (s) + 3 SO2 (g)
H < 0
Paraffin wird entzündet; Holz beginnt zu
brennen

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3. Verwendung von Chlorverbindungen
Die Geschichte der Zündhölzer
• 1785: Phosphorbüchsen
• 1805: Tunkzündhölzer (Erfinder: Jean-Louis
Chancel)
• 1832: die ersten Reibezündhölzer (Erfinder:
Jakob Friedrich Kammerer)
• Mitte des 19. Jhds.: Sicherheitsstreichhölzer
(Erfinder: Böttger/ Pasch )
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4. Verwendung von Bromverbindungen
4. Verwendung von Bromverbindungen
1,2-Dibromethan:
• In bleihaltigem Benzin
Farbstoffe:
• Eosin: roter Farbstoff
Br
O
Br
Br
O
OH
Br
COONa
Chemische Kampfstoffe:
• Bromaceton (Tränengas)
Flammschutzmittel:
• Halone (Brom-Chlor-Fluorkohlenwasserstoffe)
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4. Verwendung von Bromverbindungen
Bleichmittel/Desinfektionsmittel:
• Elementares Brom
Schädlingsbekämpfung
• Methylbromid
H
N
Br
O
N
Arzneimittel
• Beruhigungs- und Schlafmittel (Bromazepam,
früher KBr)
N
Silberbromid:
• Lichtempfindliche Substanz in Foto-Filmen
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4. Verwendung von Bromverbindungen
Versuch 4:
Modellversuch zum
fotografischen Prozess
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4. Verwendung von Bromverbindungen
V4 Modellversuch zum
fotographischen Prozess
• Ag+(aq) + Br-(aq)  AgBr(s)
• Der fotografische Prozess:
+1
-1
h
0
0
2 AgBr(s)  2 Ag(s) + Br2 (g)
(schwarz)
– Oxidation: 2 Br-  Br2 + 2e– Reduktion: 2 Ag+ + 2e-  2Ag
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4. Verwendung von Bromverbindungen
Der fotografische Prozess:
1.) Absorption eines Photons
geeigneter Wellenlänge
 Abspaltung eines Elektrons vom
Halogenid-Ion
2.) Entstehung einer Leerstelle
(Defektelektron) = Bromatom
(Bromradikal)
3.) Elektron wandert und
wird von Empfindlichkeitskeim
eingefangen
 Empfindlichkeitskeim durch
„chemische Reifung“ hergestell
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4. Verwendung von Bromverbindungen
4.) Silberionen auf
Zwischengitterplätzen
(Frenkel-Fehlordnung)
 sind beweglich
5.) Silberionen wandern zu
negativierten
Empfindlichkeitskeimen
 werden reduziert
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4. Verwendung von Bromverbindungen
Gelatine
Silberbromid-Korn
Träger
Belichtung
Latentes Bild
Silbercluster
Entwicklung
Fixierung
Sichtbares Bild
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4. Verwendung von Bromverbindungen
1.) Entwickeln:
OH
O
+ 2 OH-(aq) – 2 H2O
AgBr(s) +
2 Ag(s) + 2Br-(aq)
Agn
OH
O
2.) Stoppen:
HOAc(aq) + OH-(aq)
H2O + OAc-(aq)
3.) Fixieren:
AgBr(s) + 2 Na2S2O3 (aq)
Ag(S2O3)23-(aq) + Br-(aq)
+4
Na+
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(aq)
5. Verwendung von Iodverbindungen
5. Verwendung von Iodverbindungen
Silberiodid
• Lichtempfindlicher Bestandteil in FotoFilmen
• Hagelabwehr
Medizin:
• Iodtinkturen als Antiseptika
• Radiopharmaka mit den radioaktiven
Iod-Isotope 131I und 123I (in der nuklearmedizinischen Diagnostik)
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5. Verwendung von Iodverbindungen
• KI-Tabletten gegen die
Aufnahme der radioaktiven IodIsotope bei radioaktiven
Unfällen
• Iodid-Tabletten/ Iodatzusätze in
Speisesalz gegen Kropf-Bildung
(Schilddrüsenvergrößerung)
Thyroxin
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5. Verwendung von Iodverbindungen
Versuch 5:
Bestimmung des
Iodatgehaltes in Speisesalz
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5. Verwendung von Iodverbindungen
V5 Bestimmung des Iodatgehalts in
Speisesalz
+5
IO3-(aq) +
+2
-1
5 I-(aq) +
6
H+
0
(aq)
0
6 S2O32-(aq) + 3 I2 (aq)
3 I2 (aq) + 3 H2O
+2,5
3 S4O62-(aq) +
-1
6 I-(aq)
• 1 Mol Iodat ~ 3 Mol Iod
• 3 Mol Iod ~ 6 Mol Thiosulfat
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5. Verwendung von Iodverbindungen
Der Iod-Stärke-Komplex
• Einlagerung von linearen
Polyiodid-Ketten in die
Hohlräume der Amylose
• Elektronendelokalisierung für
blaue Farbe verantwortlich
(Charge-Transfer-Komplex)
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6. Schulische Relevanz
6. Schulische Relevanz
• 9.2 Elementgruppen:
Verbindliche Unterrichtsinhalte/Aufgaben:
Eigenschaften und Verwendung; Halogene und ihre
Verbindungen im Alltag
• 11.1 Redoxreaktionen
• 13.2 Wahlthema Angewandte Chemie
• LK 13.2 Wahlthema Komplexchemie
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7. Quellen der Abbildungen
7. Quellen der Abbildungen:
46
Ende
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