Die Elemente der 6. Hauptgruppe: Chalkogene

Die Elemente der 6. Hauptgruppe: Chalkogene
Chalkogene = Erzbildner
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Sauerstoff
Oxide
Schwefel
Schwefelverbindungen
Umweltaspekte
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Gruppeneigenschaften
radioaktiv
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Sauerstoff - Vokommen
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Häufigstes Element auf der Erde (Massenanteil 49,4 %)
in Luft (Volumenanteil 21 %)
in Wasser (Masseanteil 89 %)
in der Erde (50 %), als Bestandteil von Mineralien
– SiO2 (Sand)
– Silikate, Carbonate, Sulfate, Phosphate
•
wichtiger Bestandteil von Flora und Fauna
– 60 % des menschlichen Körpers sind gebundener Sauerstoff
•
Photosynthese
– 6 CO2 + 6 H2O „ C6H12O6 + 6 O2 (Sonnenlicht + Chlorophyll)
– 300 Mrd Tonnen O2 werden jährlich durch Photosynthese erzeugt
– 1 Baum produziert ca 15 g O2 pro Tag
•
2 verschiedene Modifikationen: O2 (normaler Sauerstoff), O3 (Ozon)
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Technische Gewinnung (99 %)
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Verflüssigung von Luft und fraktionierte Destillation (Anreicherung
von O2 durch wiederholtes Verdampfen und Kondensieren) nach
dem LINDE-Verfahren
Sdp.(O2) = -183 °C, Sdp. (N2) = -196 °C
In sehr reiner Form durch Wasser-Elektrolyse (kostspielig!)
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Darstellung im Labor
•
durch Zersetzung von Peroxiden
•
aus edlen Oxiden
•
durch Zersetzung von Kaliumchlorat
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Physikalische Eigenschaften von Sauerstoff
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Reaktionen von Sauerstoff (O2)
•
O2 ist ein starkes Oxidationsmittel
– z. B. Verbrennung von Kohle
C + O2 „ CO2
•
O2 reagiert bei Raumtemperatur häufig sehr langsam (sehr stabile
O=O-Bindung, muß aktiviert werden, z B. durch Zündung)
– O2 „ 2 O
•
ΔH0 = - 394 kJ/mol (stark exotherm)
ΔH0 = 498 kJ/mol
O2 kann 3 verschiedene Oxide bilden
– normale Oxide enthalten das Anion O2– Peroxide enthalten das Anion O22– Hyperoxide enthalten das Anion O2-
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Sauerstoff fördert die Verbrennung
Eine mit flüssigem Sauerstoff getränkte Zigarette brennt
innerhalb von 3 Sekunden ab. Zuletzt explodiert der Filter.
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Heftige Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff
Mg-Späne (z. B. in Wunderkerzen) verbrennen mit grell weißer Flamme
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Reaktionen von Sauerstoff (O2) mit Metallen
•
O2 reagiert mit fast allen Metallen zu normalen Oxiden mit
vorwiegend ionischem Charakter
– Beispiele:
Li2O
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MgO
Al2O3
Bei Metallen, die in mehreren Oxidationsstufen auftreten können,
hängt die Zusammensetzung von den Stoffmengen an O2 und
Metall, sowie von der Temperatur ab
– Beispiele:
FeO
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Fe2O3
Fe3O4
Natrium und Barium verbrennen zu Peroxiden
– Na2O2
BaO2
Kalium, Rubidium und Cesium verbrennen zu Hyperoxiden
– KO2
RbO2
CsO2
Metalloxide bilden mit Wasser basische Lösungen
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Reaktionen von Sauerstoff (O2) mit Nichtmetallen
•
O2 reagiert direkt mit allen Nichtmetallen außer Edelgasen und Halogenen
zu normalen Oxiden
– Beispiele:
H2O
SiO2
CO2
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Mit H2 wird in Gegenwart eines Katalysators (Palladium/Gold) das Peroxid
H2O2 gebildet
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Bei der Reaktion mit Kohlenstoff und Phosphor hängt die
Zusammensetzung der Produkte von den Stoffmengen der Reaktanden ab:
– Beispiele:
P4O6
P4O10
CO
CO2
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Mit Stickstoff reagiert O2 nur bei hohen Temperaturen zu NO (endotherme
Reaktion). NO reagiert bei Raumtemperatur zu NO2
•
Schwefel verbrennt zu SO2, das katalytisch zu SO3 oxidiert werden kann
Nichtmetalloxide bilden mit Wasser saure Lösungen
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Nachweis von Sauerstoff - Glimmspanprobe
Sauerstoff fördert die Verbrennung
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Oxide des Wasserstoffs – Wasser (H2O) I
•
Wasservolumen der Erde: 1,4 x 109 km3, davon 2,6 % Süßwasser
•
Siedepunkt 100°C, Schmelzpunkt 0 °C (bei 1 bar)
•
maximale Dichte bei 4 °C: 1,00 g/cm3
•
Dichte von Eis 0,92 g/cm3
•
Das Wassermolekül ist tetraedrisch gebaut (Bindungswinkel 109°)
•
sehr stabile Verbindung
– bei 2000°C sind nur 2 % der Wassermoleküle in O2 und H2 gespalten
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Anomalien des Wassers
Dichteanomalie (größte Dichte bei 4 °C):
Aufbrechen der Eisstruktur beim Schmelzen „ Wassermoleküle können sich
dichter zusammenlagern
„Struktur“ von Wasser
Kristallstruktur
von Eis
Druckanomalie:
Eis schmilzt unter erhöhtem Druck, während die meisten Flüssigkeiten unter
Druck fest werden.
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Oxide des Wasserstoffs – H2O2
Eigenschaften
• Siedepunkt: 150,2 °C
• Schmelzpunkt: -0,4 °C
• explosionsartige Zersetzung beim Erhitzen
– Ursache: schwache O-O-Bindung (ΔH0 = 98 kJ/mol)
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reagiert mit vielen Stoffen als Oxidationsmittel
– z. B. mit Fe2+, Cr3+, SO2
reagiert mit starken Oxidationsmitteln als Reduktionsmittel
– z. B. mit MnO4-, Cl2
Verwendung
• Als Oxidationsmittel (keine belastenden Abfallprodukte)
• Zur Abwasserbehandlung (Zersetzung von organischen
Verunreinigungen)
• Als Bleichmittel in der Papier-Zellstoff- und Textilindustrie
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Reaktion von H2O2 mit Braunstein
Bei der Reaktion von Braunstein (MnO2) oder Kaliumpermanganat
(KMnO4) mit H2O2 wird O2 freigesetzt. Nachweis mit Glimmspan.
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Redoxeigenschaften von H2O2
In saurer Lösung
• als Oxidationsmittel
•
als Reduktionsmittel
In basischer Lösung
• als Oxidationsmittel
•
als Reduktionsmittel
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Ozon (O3)
Physikalische Eigenschaften
• blassblaues, sehr giftiges Gas, Siedepunkt -112°C
• charakteristischer Geruch
• im flüssigen Zustand explosiv
• gewinkeltes Molekül mit delokalisierter Doppelbindung
Bildung
• Einwirkung von UV-Strahlung oder
elektrischen Entladungen auf O2
– O2 „ 2 O (harte UV-Strahlung, λ < 240 nm)
O + O2 „ O3
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Ozon (O3)
Chemische Eigenschaften
• instabiles Molekül
•
– 2 O3 „ 3 O2 + 285,6 kJ/mol (z. B. durch UV-Strahlung mit λ < 320 nm)
starkes Oxidationsmittel
Auswirkungen auf den Menschen (ca. 120 – 140 μg/m3)
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Ozon – oben wichtig, unten giftig
Die Ozonschicht ist lebenserhaltend
O2 „ 2 O
O + O2 „ O3 (λ < 240 nm)
O3 „ O2 + O
O3 + O „ 2 O2 (λ < 310 nm)
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Das Ozonloch
Zerstörung der Ozonschicht
• durch Industrie- und Autoabgase
• durch Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW)
• durch Halone (vollhalogenierte Brom-haltige Kohlenwasserstoffe)
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Maßnahmen zum Schutz der Ozonschicht
•
Reduzierung der Weltproduktion
an Ozon-Schadstoffen
1986
FCKW
1.046.906 t 85.800 t
Halone
142.513 t
H-FCKW
•
2000
1.200 t
31.287 t
Ersatzstoffe
–
H-FCKW, erlaubt bis 2026 (EU)
bzw. 2030 (Welt), zersetzen sich
bereits in der Troposphäre
–
H-FKW, enthalten kein Cl und
kein Br, bauen kein Ozon ab, aber
tragen zum Treibhauseffekt bei
So nicht !!
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Biologische Bedeutung von Sauerstoff
Für die Atmung
6 CO2 + 6 H2O „ C6H12O6 + 6 O2
Chlorophyll
CO2
O
N
C
H
Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin ist für den
Sauerstofftransport verantwortlich
enthält 4 Farbstoffmoleküle (Häm) gebunden an
ein Eiweißmakromolekül (Globin)
Häm enthält einen Fe2+ - Komplex, der locker
gebundenen O2 aufnehmen und abgeben kann
ohne selbst oxidiert zu werden
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Schwefel
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Ein bißchen Historie - Schwarzpulver
Einer Überlieferung zufolge soll der FranziskanerMönch Berthold Schwarz aus Freiburg in 11. Jh. bei
alchemistischen Experimenten in einem Mörser
Schwefel, Salpeter und Kohle zerstampft und diesen
mit dem Stößel zusammen auf den Ofen gestellt
haben, woraufhin er den Raum verließ. Kurze Zeit
später habe sich eine Explosion ereignet und die
herbeigeeilten Mönche stellten fest, dass der
herausgeschleuderte Stößel so fest in einem
Deckenbalken steckte, dass er nicht mal nach dem
Berühren mit den Reliquien der heiligen Barbara
herausgezogen werden konnte. Auf dieses Ereignis
soll die Bezeichnung für das Schwarzpulver, der Name
„Mörser“ für kurzläufige Steilfeuergeschütze und die
Tatsache, dass die heilige Barbara als Schutzpatronin
der Artilleristen gilt, zurückgehen.
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•
•
Schwarzpulver = 6 Teile Salpeter, 2 Teile Kohle, 1 Teil
Schwefel
bis Mitte des 19 Jh. der einzige militärische und zivile
Sprengstoff
heute in der Pyrotechnik eingesetzt
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Abbrennen von Schwarzpulver
Die Spur aus Schwarzpulver verbrennt innerhalb von 5 Sekunden mit
sehr heller Flamme und unter starker Gas- bzw. Rauchentwicklung.
Es entstehen die Verbrennungsprodukte Stickstoff, Kohlendioxid,
Schwefeldioxid und Kaliumcarbonat. Aus 1 kg Substanz entstehen
etwa 350 Liter Gas und Rauch
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Schwefel – Vorkommen als Element
Gewinnung nach dem
FRASCH-Verfahren
Schwefel-Geysir
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Vorkommen in Verbindungen
Schwermetallsulfide
Sulfate
Zinnober, HgS
Schwerspat, BaSO4
Gips, CaSO4 x 2 H2O
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Eigenschaften
Smp. 119,6 °C
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Reaktionen des Schwefels
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Schwefelwasserstoff
Vorkommen
• Abbauprodukt organischer Materialien
• H2S-Austritt verbunden mit
Schwefelablagerungen bei Vulkanen
Darstellung
• aus den Elementen bei 600°C in Gegenwart eines Katalysators
• aus Sulfiden (z. B. FeS) durch Einwirkung starker Säuren (Kipp)
• im technischen Maßstab bei der Entschwefelung von Erdöl, Erdgas
und Kokereigas (Absorption von H2S in kalter Lösung von
Ethanolamin)
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