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P4 entweicht als Gas und wird durch anschließende Kondensationvon CO abgetrennt. 90 % des so gewonnenen P4 wird zuPhosphorsäure weiterverarbeitet.
Schlacke
Weißer Phosphor zeigt bei Verbrennung ein blaues Leuchten –Chemolumineszenz
Je nach O2 - Angebotentsteht P4 O6 oder P4 O10
Li3 P + 3 H2 O PH3 + 3 LiOH
Oder durch Reaktion von Phosphiden mit Wasser:
3 3
PF5 und PCl5 sind Lewis – Säuren und lagern leicht Halogenidan. (Bildung von PX6
- , oktaedrisch)
(Darstellung aus den Elementen.)
PF5 : trigonal - bipyramidal
z.B.: (tetraedrisch)
Die wichtigsten Halogenverbindungen sind dieTri- und Pentahalogenide
ortho - Phosphorsäure Diphosphorsäure(Pyrophosphorsäure)
Polymetaphosphorsäure:(HPO3 )n(= H3 PO4 – H2 O)
preiswert, aber nicht so rein
P4 O10
Verwendung von H3 PO4 : Salze als Düngmittel z.B. Ca(H2 PO4 )2
PhosphorsPhosphorsääure, Hure, H33 POPO44 ; techn. Darstellung; techn. Darstellung
Reine Phosphorsäure wird technisch durch Verbrennung vonweißem Phosphor (Darstellung siehe dort) zu P4 O10 und anschließender Umsetzung mit Wasser erhalten:
Dreiprotonige , mittelstarke Säure, pKs = 2, die erwartungsgemäßdrei Salze bildet:
(pKs = 7)
(pKs = 12)
(z.B. H2 PO4- / HPO4
2- in Zellflüssigkeit, Blut)
grau
Entzünden
(weniger stabil als PH3 )
Toxizität von As-Verbindungen
As2 O3 (Arsenik) ist das klassische Arsengift. Die Toxizität beruhtin erster Linie auf der hohen Affinität von As zu Schwefel, es bindet an Thiolgruppen von Enzymen und blockiert diese.
Salvarsan (organische Arsen-Verbindung): erstes Chemotherapeutikum!1910 von Paul Ehrlich erfolgreich gegen Syphilis eingesetzt
drei verschiedene Arsenite.
(Unterschied zur Phosphorigen Säure)
dreiprotonige
Sb2 O3 ist amphoter:Mit starken Basen entsteht Antimonit SbO2
-
Mit starken Säuren entstehen Sb3+ - Salze; z.B. Sb(NO3 )3
Analogien, aber auch Unterschiede zu Arseniten.
Bismut (Bi)Bismut (Bi)
Bismut tritt nur in einer metallischen Modifikation auf.Struktur ähnlich der des grauen Arsens, aber Schicht –abstand ist geringer. ( ein Bi – Atom ist von 6 anderen umgeben.)
Darstellung: vgl. Antimon
Bi2 S3 + 3 Fe 2 Bi + 3 FeS
Verwendung:
Für niedrig schmelzende Legierungen, z.B. Woodsches Metall, Schmelzp.: 70°C (Bi, Pb, Sn)
v.a.
t
Ethin
Funktionsweise des Lithium-Ionen-Akkus (Handy, Notebook)
C6 LiCoIVO2
Nach vollständiger Entladung liegen C (Graphit) und LiICoIIIO2 vor
(Al4 C3 ) (SiC, B13 C2 ) (TiC , WC)
Al4 C3 + 12 H+ 4 Al3+ + 3 CH4
SiC: Diamantstruktur, jedes zweite C durch Si ersetzt.
In metallischen Carbiden besetzt C die (häufig Oktaeder)–Lücken der Metallatom – Packungen
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW, Frigene):z.B. CCl3 F , CCl2 F2unbrennbar, inert, kaum giftig (aber: Chlorkohlenwasserstoffe wie CCl4stark giftig!)Verwendung als Kühlmittel (Kälteanlagen , Kühlschrank) und Treibgase (Spraydosen)Stark rückläufig (Umweltgesetzgebung), da in der Atmosphäre durchUV – Licht Radikale erzeugt werden, die den Abbau der Ozonschicht fördern.
Die wichtigsten Oxide sind:
C O O C O
1000 °C
CO2 ist schwerer als Luft!
Kat,
450 °CKohlenoxid - Konvertierung
In Lösungen von CO2 in Wasser entsteht Kohlensäure
H2 CO3 ist eine mittelstarke Säure. (pKs = 3,8) Die auf CO2 bezogene Säurekonstante (pKs = 6,4) entspricht der einer schwachen Säure.
(NaHCO3 , Na2 CO3 )
Kohlensäure, nicht isolierbar
Das Gleichgewicht liegt fast vollständig auf der linken Seite(< 99 % gelöstes CO2 , < 1 % H2 CO3 )
Teilschritte:
1800 °C
Sand
für die Halbleitertechnik (Computerchips)
Si + 3 HCl HSiCl3 + H2
SiHCl3 + H2 Si + 3 HCl
300°C
99 % ig destilliebar→ Reinigung !
1000°C
Sehr rein
Für Verwendung als Halbleiter / Transistor in der Computertechnologieist einkristallines und extrem reines Si nötig.→Darstellung von Einkristallen durch Zonenschmelz– oder (heute
vorwiegend) Tiegelzieh–Verfahren.
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1400 °C
Raumtemp.
Si ist erstaunlich reaktionsträge (Passivierung durch hauchdünne SiO2 –Schicht an der Oberfläche)
1000 °C
Si kann durch Natronlauge aufgelöst werden:
Si + 2 OH- + 2 H2 O H2 SiO42- + 2 H2
Aber: Si ist nicht säurelöslich (Passivierung)
Magnesiumsilicid
Struktur on SiO2
Si ist von 4 O–Atomen umgeben, O ist von 2 Si–Atomen um–geben. Die SiO4 – Tetraeder sind über die Ecken verknüpft.⇒kovalentes, dreidimensionales Netzwerk; Si – O – Si Winkel
beträgt 150 ° - 180 °. Grund: Wechselwirkungen der freien Elektronenpaare am O mit leeren 3 d – Orbitalen am Si.
Kieselsäure(schwache Säure)
Kieselsäure H4 SiO4 ist aus ihren wässrigen Lösungen nicht isolierbar, da hohe Kondensationsneigung.
usw.
„Na4 SiO4 “HCl
Silicate
ganz allgemein: Verbindungen Mx [SiOy ] (M = Metallkation)y>2, x und y können auch gebrochene Zahlen sein
Große Strukturvielfalt der SiOy -Anionen.Strukturen reichen von SiO4
4- in „Inselsilicaten“ über SiO3
2- -Ketten und Si2 O52- -Schichten bis hin zu
komplizierten Raumnetzstrukturen in „Gerüstsilicaten“, in denen Si teilweise durch Al ersetzt ist.
Glas und Tonkeramik
Ein Glas im weitesten Sinne ist eine amorphe, d.h. ohne Kristallisation erstarrte, Schmelze (hatte keine Zeit zur Kristallisation)
Quarzglas: SiO2 , Herstellung aus kristallinem Quarz durch rasches Abkühlen der Schmelze. Chemisch sehr widerstandsfähig, daher Verwendung für chemische Apparaturen
Fensterglas: ungefähre Zusammensetzung Na2 Ca[Si6 O14 ]Herstellung durch Zusammenschmelzen von SiO2 (Sand),Na2 CO3 (Soda) und CaCO3 (Kalk)
Tonkeramische Erzeugnisse entstehen durch „Brennen“von Tonen (z.B. Kaolinit Al2 (OH)4 [Si2 O5 ]). Je nach Zusammensetzung des Tonminerals, Brennverfahren und Beimengungen (z.B. Feldspat) entstehen Töpfereierzeugnisse, Ziegelsteine, Steinzeug oder Porzellan. Beim Erhitzen schmelzen Komponenten der Keramikmasse und verkitten beim Abkühlen die Tonpartikel.
kristalliner Quarz
amorphes Fensterglas
Zeolithe
Zeolithe sind kristalline Gerüstsilikate, die Alkali- oder Erdalkalimetallkationen enthalten und hydratisiert sind. Charakteristisch sind relativ große Hohlräume und Kanäle, in denen sich die Wassermoleküle befinden. Wird das Wasser durch Erhitzen entfernt, können die Hohlräume auch andere Moleküle aufnehmen. Zeolithe kommen in der Natur vor, werden aber auch in großen Mengen technisch hergestellt. Dabei können Größe und Form der Hohlräume durch das Syntheseverfahren beeinflußt werden.
Zeolith-Kristalleunter dem Mikroskop
Anwendungen:
Zeolith-Struktur(schematisch, jede Ecke ist ein Si (oder Al)-Atom)
Silicone Silicone sind chemisch und thermisch sehr beständige Kunststoffe,die Si-R (Alkyl, meist -CH3 ) und Si-O-Si Einheiten enthaltenSilicone werden aus Alkylchlorsylanen hergestellt, welche wiederum ausAlkylhalogeniden (RCl) und Si (Rochow-Synthese) gewonnen werden:
6 RCl + 3 Si RSiCl3 + R2 SiCl2 + R3 SiCl (Trennung durch Destillation)
Die Alkylchlorsilane werden hydrolysiert, und die gebildeten Silanolekondensieren sofort zu Siliconen. Polymerisationsgrad und Eigenschaftenkönnen durch das Mischungsverhältnis RSiCl3 / R2 SiCl2 / R3 SiCleingestellt werden (Ketten: Siliconöl; dreidim. Vernetzung: festes Silicon
Cu (Kat)
Fehlt auf Folienkopie, bitte ergänzen!
4. Hauptgruppe: natürliche Vorkommen von Si, Ge, Sn, Pb
gefunden
>13°C
(oder umgekehrt; langsam)
<13°C
Si, Ge, Sn, Pb: Strukturen der Elemente
Ge, Sn, Pb: Chemisches Verhalten
Sn(II)-Salze (SnCl2 ) haben reduzierende Eigenschaften,besonders die in alkalischer Lösung entstehenden, löslichenStannate(II) Sn(OH)3
- werden leicht zu Stannaten(IV) Sn(OH)62-
oxidiert werden.
Dagegen sind Pb(II)-Salze (PbCl2 , PbSO4 usw.) stabiler alsPb(IV)-Verbindungen, letztere sind starke Oxidationsmittel:PbO2 oxidiert in salpetersaurer Lösung Mn2+ zu Permanganat (Mn(VII))!
Amphoterie von Sn (II) – hydroxid)
Darstellung von Zinnsulfiden
Redoxsystem Pb(II) / Pb(IV)
Fällung und Auflösung von Pb(II) - Salzen
Elektrolyse einer wässrigen Pb – acetat - Lösung
PbO2 ist eine Komponente des Bleiakkumulators
H2 SO4
schwerlöslich, haftetan der Elektrode
Elektroden
BXX
X
Oktettregelnicht erfüllt!
BorverbindungenBorverbindungen
BorBor--WasserstoffWasserstoff--Verbindungen (Borane)Verbindungen (Borane)
Industrielle Darstellung von B2 H6(techn. Bedeutung als Reduktionsmittel)
Einfachtes Boran: B2 H6 , Diboran(„BH3 “ erfüllt die Oktettregel nicht)
2 BF3 + 6 NaH B2 H6 + 6 NaF180 °C
Schichtstruktur
Verknüpfung der B(OH)3 – Moleküleüber Wasserstoff –Brücken
BorsBorsääureure
Borsäure ist eine schwache Säure, gibt aber nicht selbst Protonen ab, sondern lagert OH- an (H+ stammt aus H2 O)
Titration von Borsäure wird durch Bildung von Oligoboratenim Alkalischen gestört.⇒ Zusatz von Diolen (Glykol, Mannit) ⇒ Monomere, Verschiebung des Umschlagspunkts in den sauren Bereich
Synthese von BorsSynthese von Borsääuretrimethylester, B(OCHuretrimethylester, B(OCH33 ))33
grüne Flammenfärbung
Mechanismus:
Technische Herstellung von AluminiumTechnische Herstellung von Aluminium( Bayer Verfahren)( Bayer Verfahren)
AlO(OH) Bauxit
Na[Al(OH)4 ] + Fe2 O3
Al(OH)3
Al2 O3
Eutektikum 10.5% Al2 O3 ; 89.5% Na3 [AlF6 ]
Schmp.: 960°C
Al
1) Gewinnung von reinem Al2 O3 aus Bauxit, einem wichtigen Aluminiummineral
2) Darstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse von Al2 O3
NaOH
Impfen
1200°C
Na3 [AlF6 ]
Elektrolyse
Reaktionsverhalten von AluminiumReaktionsverhalten von Aluminium
Al ist ein starkes Reduktionsmittel(Thermit-Reaktion)
Identifizierung der Alkalimetalle durch charakteristische Flammenfärbungen:
Energie der Flamme ist ausreichend, uma) Alkalimetall-Atome aus den Salzen zu erzeugenb) die Atome vom elektronischen Grundzustand in angeregte Zustände zu überführen
Flammenfärbung wird durch Lichtemission beim Übergang vom angeregten in denGrundzustand (oder einen energieniedrigeren angeregtenZustand) hervorgerufen, z.B. Li 1s2 2p1 (angeregt) Li 1s2 2s1 (Grundzust), Emission bei 670nm (rot)
Natürliche Vorkommen der Alkalimetalle nie elementar, immer als Kationen mit Ladung +1 (Edelgaskonfiguration), z.B. als Steinsalz (NaCl), Sylvin (KCl), in Feldspaten, Tonen etc.
Techn. Darstellung der Metalle: aus den Salzschmelzen
Chemisches Verhalten der Alkalimetalle
Reaktion mit Wasser (mehr oder weniger heftig):
M + H2 O MOH(aq) + 1/2 H2
Reaktion mit Sauerstoff: Bildung unterschiedlicher Oxide!
4 Li + O2 2 Li2 O (enthält Oxidionen O2-)2 Na + O2 Na2 O2 (enthält Peroxidionen O2
2-)K + O2 KO2 (enthält Superoxidionen O2
-)Rb, Cs reagieren wie K
Alkalimetalle sind starke ReduktionsmittelNormalpotentiale: Li -3.0, Na -2.7, K -2.9 V
Reaktion mit Halogenen: Bildung der Halogenide
2 M + X2 2 MX
Soda-Darstellung nach dem Solvay-Verfahren
Edukte: CaCO3 (Kalk) und NaCl (beides sehr billig!)
Produkte: Na2 CO3 (Soda) und CaCl2 (Abfall)
Die direkte Umsetzung von NaCl mit CaCO3 liefert kein Soda,da Ca2+ eine viel höhere Affinität zu Carbonat hat als Na+
Daher wird aus CaCO3 durch Erhitzen CO2 freigesetzt und dieses mit wäßriger NaCl-Lösung umgesetzt. Als Base zur Deprotonierungder Kohlensäure dient das gebildete CaO (indirekt, NH3 als Vermittler).
WasserhWasserhäärterte
Wieso scheidet sich beim Erhitzen von Leitungswasser Kalk ab?Leitungswasser enthält gut lösliches Calciumhydrogencarbonat,Ca(HCO3 )2
Dies steht im Gleichgewicht mit gelöstem CO2 und (geringen Mengen) gelöstem CaCO3 .
Ca(HCO3 )2 CaCO3 + CO2 + H2 O
Beim Erwärmen entweicht CO2 ( Abnahme der Gaslöslichkeit mit der Temperatur), das Gleichgewicht wird nach rechts verschoben,das Löslichkeitsprodukt des schwerlöslichen CaCO3 überschritten.Waschmittel enthalten Zeolithe, die als Ionenaustauscher wirken:Bindung von Ca2+ und Freisetzung von Na+ (Enthärtung)
Wasserhärte (in Grad): mg CaO pro 100 ml Wasser (Mg wird in Ca umgerechnet)weich: <7° hart: 18° (18 mg CaO pro 100 ml bzw. 0,3 mMol M2+-Ion pro 100 ml) Heidelberg: sehr hart (außer: Altstadt, Ziegelhausen, Schlierbach)
WasserhWasserhäärterte
Calcium in BaustoffenCalcium in Baustoffen
Gips: CaSO4 • 2 H2 O (natürliche Vorkommen)
Als Baustoff wird gebrannter Gips eingesetzt:
CaSO4 • 2 H2 O CaSO4 • ½ H2 O
der beim Mischen mit Wasser rasch erhärtet durch Rückbildung von CaSO4 • 2 H2 O (miteinander verfilzendeNadeln)
Erhitzen
Calcium in BaustoffenCalcium in Baustoffen
Kalkmörtel = gelöschter Kalk + Sand
Beim Mischen mit Wasser bildet Kalkmörtel durch Aufnahmevon CO2 aus der Luft langsam CaCO3 , welches kristallisiert und den Sand „verkittet“.Anwendung: u.a. Verkittung der Steine beim „Mauern“nur begrenzt wasserbeständigZement = gebrannter Kalk + Calciumsilikat
Beim Mischen mit Wasser kristallisieren vor allem Calciumsilikat–Hydrate aus, dadurch große Härte und Beständigkeit gegen Wasser.Beton: Zement + Sand/Kies ; wichtigster Baustoff ( Weltjahres-
Zementproduktion: ca. 2 Milliarden t.)
CaCO3 + Silikate CaO + CaSiO31400 °C
(ungefähre Zusammensetzung)(Überschuß) (z.B. Ton)
CaCO3 CaO + CO2 ; CaO + H2 O Ca(OH)21000 °C
gebrannter Kalk gelöschter Kalk
