9 Einige Elemente des Periodensystems und ihre Verbindungen Die

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9 Einige Elemente des Periodensystems und ihre Verbindungen
Die Ursache dafür ist in der Anordnung der Wassermoleküle zu finden. Bereits im flüssigen Zustand
sind die Moleküle zu einem Teil unter Einfluss der
Wasserstoffbrückenbindung in Tetraedern geordnet
(Abb. 9-5). Unter 4 °C bis zum Gefrierpunkt nimmt
diese Anordnung zu. Sie enthält aber viele Lücken
(lockere Packung; Abb. 9-6). Die geordneten Moleküle nehmen beim Gefrieren einen größeren Raum
ein als im flüssigen Zustand bzw. bei +4 °C (Abb.
9-7).
Bei 0 °C hat Wasser die Dichte von 0,999 868 g · cm –3
und Eis von 0,917 g · cm – 3. Eis schwimmt somit auf
dem Wasser und wassergefüllte Gefäße platzen
beim Gefrieren des Wassers. Im Gegensatz dazu
gehen die Atome anderer Stoffe, z. B. der Metalle,
beim Kristallisieren in eine dichtere Packung über
und benötigen ein geringeres Volumen (Abb. 9-7).
Die Dichteanomalie ist von größter Bedeutung für
die Lebewesen in Flüssen, Seen und Teichen genügender Tiefe, denn das dichteste Wasser sinkt
auf den Grund des Gewässers mit 4 °C im flüssigen
Zustand, während sich nur an der Oberfläche das
a)
feste, leichte Wasser als Eis bildet (Abb. 9-8).
In reiner Form ist Wasser geruchlos, geschmacklos fade und farblos. In dicken Schichten wirkt es
leicht blau gefärbt. Aus dem Kosmos erscheint die
Erde deshalb als „blauer Planet“.
Natürliches Wasser ist je nach seiner Herkunft mit
Staub (Regenwasser), gelösten Gasen und Salzen
(Carbonate, Sulfate, Chloride u. a.) verunreinigt.
Physikalische Eigenschaften von Wasser
Schmelztemperatur
273,15 K bzw. 0 °C
Siedetemperatur
373,15 K bzw. 100 °C
Bildungsenthalpie
286,0 kJ · mol –1
6,01 kJ · mol –1
Schmelzenthalpie
40,66 kJ · mol –1
Verdampfungsenthalpie
Dipolmoment
6,2 C · m
Dielektrizitätskonstante
(bei 25 °C)
78,5
Übersicht 9-3
b)
Dichte r (g · cm–3)
spezif. Volumen V (cm3 · g–1)
Dichte r
spezif. Volumen V
r
1,00000
0,999868
Eis
0,917
V
0,998230
Wasser
r
1,000132
1,000
V
0 °C
+4 °C
fest
+20 °C
Schwindung
beim
Erstarren
Schrumpfung
des festen
Metalls
flüssig (Schmelze)
Schmelz- bzw.
Erstarrungstemperatur
T
Abb. 9-7
Verlauf der Dichte (g · cm –3) und des spezifischen Volumens (cm3 · g –1)
a) des Wassers und
b) eines Metalls
in Abhängigkeit von der Temperatur
0 °C
Eis
0,999868 g · cm–3
1 g · cm–3
136
+1 °C
+2 °C
+3 °C
+4 °C
Abb. 9-8
Temperaturen und Dichteverteilung in einem Gewässer
9.4 Elemente der Hauptgruppen
Versuch
Reiben Sie etwas Grafitpulver zwischen den
Fingern. Wie ist das Schreiben mit einem Bleistift zu erklären?
Dadurch entsteht ein poriges Kohlenstoffgerüst mit
großer innerer Oberfläche (bis 800 m2 · g –1 Aktivkohle). A-Kohle kann deshalb Gase, Dämpfe und
gewisse gelöste Stoffe in beträchtlicher Menge adsorbieren und z. B. beim Erwärmen wieder freisetzen.
Ruß, Holzkohle, Aktivkohle, künstlicher Grafit (Retortengraphit) enthalten feinkristallinen Grafit mit
amorphen Anteilen.
Die beiden Erscheinungsformen des Kohlenstoffs
zeigen anschaulich, dass viele Eigenschaften wie
z. B. Härte, Farbe u. a. von der Atomanordnung abhängen, während das chemische Verhalten gleichartig ist, da es sich um das gleiche Element handelt. Sowohl Grafit (oberhalb 690 °C) als auch
Diamant (oberhalb 800 °C) verbrennen in reinem
Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid.
Aktivkohle wird aus Knochen, Holz, Zucker u. a.
organischen Stoffen hergestellt. Zunächst werden
diese mit Lösungen aus Kaliumcarbonat oder Zinkchlorid getränkt. Diese Mittel blähen den Ausgangsstoff, der beim Erhitzen unter Luftabschluss
Wasserstoff und Kohlenstoffoxid abgibt, stark auf.
Versuche
1. In einem Verbrennungsrohr wird Luft oder
Sauerstoff über erhitzte Holzkohle geleitet. Das Kohlenstoffdioxid wird in Kalkwasser Ca(OH)2 oder Bariumhydroxid-Lösung
Ba(OH)2 geleitet. Beobachtung? Gleichung!
(Abb. 9-10).
1. Holzkohle
2. Marmor CaCO3
Luft
Waschflasche
mit Ca(OH)2-Lösung
(Bindung des CO2 der Luft)
Wasserstrahlpumpe
Waschflasche mit
Ca(OH)2-Lösung
Abb. 9-10 Nachweis von Kohlenstoffdioxid
Eigenschaften der Elemente der 4. Hauptgruppe
Kohlenstoff
C
Silicium
Si
Germanium
Ge
Zinn
Sn
Blei
Pb
Kristallgitter (20 °C)
(stabile Modifikation)
Diamantgitter,
hexagonal
Diamantgitter
Diamantgitter
b-Sn tetragonal
kubisch-flächenzentriert
Modifikationen
Diamant,
Grafit,
Fullerene
Farbe/Glanz
farblos,
schwarz
dkl.grau bis
schwarz glänzend
grauweiß
glänzend
silberweiß
glänzend
bläulichsilbrig,
oxidiert grau
Schmelztemperatur °C
>3540 (Diam.)
>3550 (Grafit)
1414
937,4
231,9
327,5
Siedetemperatur °C
ca. 4830
2477
2830
2270
1744
Dichte g · cm – 3
2,1–2,3 (Grafit)
3,51 (Diam.)
2,33
5,32
7,29
11,34
Atomradius (pm)
77
110
122
140
175
Ionenradius X 4+(pm)
16
38
53
71
84
chemisches Verhalten
Nichtmetall
Halbmetall
Metall
elektrische Leitfähigkeit
Isolator (Diam.)
g: T > 262 °C,
a: < 13,2
(graues Zinn)
Halbleiter
metall. Leiter
Elektronegativität
abnehmend
Affinität zu Metallen
abnehmend
Reaktion der Oxide
Salzcharakter der Halogenide
sauer
zunehmend basisch
ohne Salzcharakter
zunehmend salzartig
Übersicht 9-8
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