P 4 entweicht als Gas und wird durch anschließende Kondensation von CO abgetrennt. 90 % des so gewonnenen P 4 wird zu Phosphorsäure weiterverarbeitet.

Transkript

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2 Schlacke P 4 entweicht als Gas und wird durch anschließende Kondensation von CO abgetrennt. 90 % des so gewonnenen P 4 wird zu Phosphorsäure weiterverarbeitet.

3 Je nach O 2 - Angebot entsteht P 4 O 6 oder P 4 O 10 Weißer Phosphor zeigt bei Verbrennung ein blaues Leuchten Chemolumineszenz

4 3 3 Oder durch Reaktion von Phosphiden mit Wasser: Li 3 P + 3 H 2 O PH LiOH

5 Die wichtigsten Halogenverbindungen sind die Tri- und Pentahalogenide (Darstellung aus den Elementen.) PF 5 : trigonal - bipyramidal z.b.: (tetraedrisch) PF 5 und PCl 5 sind Lewis Säuren und lagern leicht Halogenid an. (Bildung von PX 6 -, oktaedrisch)

6 ortho - Phosphorsäure Diphosphorsäure (Pyrophosphorsäure) Polymetaphosphorsäure: (HPO 3 ) n (= H 3 PO 4 H 2 O)

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8 Phosphorsäure, H 3 PO 4 ; techn. Darstellung preiswert, aber nicht so rein Reine Phosphorsäure wird technisch durch Verbrennung von weißem Phosphor (Darstellung siehe dort) zu P 4 O 10 und anschließender Umsetzung mit Wasser erhalten: P 4 O 10 Verwendung von H 3 PO 4 : Salze als Düngmittel z.b. Ca(H 2 PO 4 ) 2

9 Dreiprotonige, mittelstarke Säure, pks = 2, die erwartungsgemäß drei Salze bildet: (pks = 7) (pks = 12) (z.b. H 2 PO 4 - / HPO 4 2- in Zellflüssigkeit, Blut)

10 grau Entzünden

11 (weniger stabil als PH 3 )

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13 Toxizität von As-Verbindungen As 2 O 3 (Arsenik) ist das klassische Arsengift. Die Toxizität beruht in 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

14 dreiprotonige drei verschiedene Arsenite. (Unterschied zur Phosphorigen Säure)

15 Sb 2 O 3 ist amphoter: Mit starken Basen entsteht Antimonit SbO 2 - Mit starken Säuren entstehen Sb 3+ - Salze; z.b. Sb(NO 3 ) 3 Analogien, aber auch Unterschiede zu Arseniten.

16 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 Verwendung: Bi 2 S Fe 2 Bi + 3 FeS Für niedrig schmelzende Legierungen, z.b. Woodsches Metall, Schmelzp.: 70 C (Bi, Pb, Sn)

17 v.a. t

18 Ethin

19 Funktionsweise des Lithium-Ionen-Akkus (Handy, Notebook) Co IV O 2 C 6 Li Nach vollständiger Entladung liegen C (Graphit) und Li I Co III O 2 vor

20 (Al 4 C 3 ) (SiC, B 13 C 2 ) (TiC, WC) Al 4 C H + 4 Al CH 4 SiC: Diamantstruktur, jedes zweite C durch Si ersetzt. In metallischen Carbiden besetzt C die (häufig Oktaeder) Lücken der Metallatom Packungen

21 Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW, Frigene): z.b. CCl 3 F, CCl 2 F 2 unbrennbar, inert, kaum giftig (aber: Chlorkohlenwasserstoffe wie CCl 4 stark giftig!) Verwendung als Kühlmittel (Kälteanlagen, Kühlschrank) und Treibgase (Spraydosen) Stark rückläufig (Umweltgesetzgebung), da in der Atmosphäre durch UV Licht Radikale erzeugt werden, die den Abbau der Ozonschicht fördern.

22 Die wichtigsten Oxide sind: C O O C O

23 Kat, Kohlenoxid - Konvertierung 450 C 1000 C CO 2 ist schwerer als Luft!

24 In Lösungen von CO 2 in Wasser entsteht Kohlensäure Das Gleichgewicht liegt fast vollständig auf der linken Seite (< 99 % gelöstes CO 2, < 1 % H 2 CO 3 ) Kohlensäure, nicht isolierbar (NaHCO 3, Na 2 CO 3 ) H 2 CO 3 ist eine mittelstarke Säure. (pks = 3,8) Die auf CO 2 bezogene Säurekonstante (pks = 6,4) entspricht der einer schwachen Säure.

25 1800 C Sand Teilschritte:

26 für die Halbleitertechnik (Computerchips) Si + 3 HCl HSiCl 3 + H 2 99 % ig 300 C destilliebar Reinigung! SiHCl 3 + H C Si + 3 HCl Bitte ändern auf Folienkopie Sehr rein Für Verwendung als Halbleiter / Transistor in der Computertechnologie ist einkristallines und extrem reines Si nötig. Darstellung von Einkristallen durch Zonenschmelz oder (heute vorwiegend) Tiegelzieh Verfahren.

27 Si ist erstaunlich reaktionsträge (Passivierung durch hauchdünne SiO 2 Schicht an der Oberfläche) 1000 C Raumtemp C

28 Si kann durch Natronlauge aufgelöst werden: Si + 2 OH H 2 O H 2 SiO H 2 Aber: Si ist nicht säurelöslich (Passivierung)

29 Magnesiumsilicid

30 Struktur on SiO 2 Si ist von 4 O Atomen umgeben, O ist von 2 Si Atomen um geben. Die SiO 4 Tetraeder sind über die Ecken verknüpft. kovalentes, dreidimensionales Netzwerk; Si O Si Winkel beträgt Grund: Wechselwirkungen der freien Elektronenpaare am O mit leeren 3 d Orbitalen am Si.

31 Kieselsäure H 4 SiO 4 ist aus ihren wässrigen Lösungen nicht isolierbar, da hohe Kondensationsneigung. Kieselsäure (schwache Säure) usw.

32 Na 4 SiO 4 HCl

33 Silicate ganz allgemein: Verbindungen M x [SiO y ] (M = Metallkation) y>2, x und y können auch gebrochene Zahlen sein Große Strukturvielfalt der SiO y -Anionen. Strukturen reichen von SiO 4 4- in Inselsilicaten über SiO Ketten und Si 2 O Schichten bis hin zu komplizierten Raumnetzstrukturen in Gerüstsilicaten, in denen Si teilweise durch Al ersetzt ist.

34 Glas und Tonkeramik Ein Glas im weitesten Sinne ist eine amorphe, d.h. ohne Kristallisation erstarrte, Schmelze (hatte keine Zeit zur Kristallisation) Quarzglas: SiO 2, Herstellung aus kristallinem Quarz durch rasches Abkühlen der Schmelze. Chemisch sehr widerstandsfähig, daher Verwendung für chemische Apparaturen Fensterglas: ungefähre Zusammensetzung Na 2 Ca[Si 6 O 14 ] Herstellung durch Zusammenschmelzen von SiO 2 (Sand), Na 2 CO 3 (Soda) und CaCO 3 (Kalk) kristalliner Quarz amorphes Fensterglas Tonkeramische Erzeugnisse entstehen durch Brennen von Tonen (z.b. Kaolinit Al 2 (OH) 4 [Si 2 O 5 ]). 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.

35 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. Anwendungen: Zeolith-Kristalle unter dem Mikroskop Zeolith-Struktur (schematisch, jede Ecke ist ein Si (oder Al)-Atom)

36 Silicone Silicone sind chemisch und thermisch sehr beständige Kunststoffe, die Si-R (Alkyl, meist -CH 3 ) und Si-O-Si Einheiten enthalten Silicone werden aus Alkylchlorsylanen hergestellt, welche wiederum aus Alkylhalogeniden (RCl) und Si (Rochow-Synthese) gewonnen werden: 6 RCl + 3 Si RSiCl 3 + R 2 SiCl 2 + R 3 SiCl Cu (Kat) (Trennung durch Destillation) Die Alkylchlorsilane werden hydrolysiert, und die gebildeten Silanole kondensieren sofort zu Siliconen. Polymerisationsgrad und Eigenschaften können durch das Mischungsverhältnis RSiCl 3 / R 2 SiCl 2 / R 3 SiCl eingestellt werden (Ketten: Siliconöl; dreidim. Vernetzung: festes Silicon Fehlt auf Folienkopie, bitte ergänzen!

37 4. Hauptgruppe: natürliche Vorkommen von Si, Ge, Sn, Pb gefunden

38 Si, Ge, Sn, Pb: Strukturen der Elemente >13 C <13 C (oder umgekehrt; langsam)

39 Ge, Sn, Pb: Chemisches Verhalten Sn(II)-Salze (SnCl 2 ) haben reduzierende Eigenschaften, besonders die in alkalischer Lösung entstehenden, löslichen Stannate(II) Sn(OH) 3 - werden leicht zu Stannaten(IV) Sn(OH) 6 2- oxidiert werden. Dagegen sind Pb(II)-Salze (PbCl 2, PbSO 4 usw.) stabiler als Pb(IV)-Verbindungen, letztere sind starke Oxidationsmittel: PbO 2 oxidiert in salpetersaurer Lösung Mn 2+ zu Permanganat (Mn(VII))! Amphoterie von Sn (II) hydroxid) Fällung und Auflösung von Pb(II) - Salzen Darstellung von Zinnsulfiden Elektrolyse einer wässrigen Pb acetat - Lösung Redoxsystem Pb(II) / Pb(IV)

40 PbO 2 ist eine Komponente des Bleiakkumulators Elektroden H 2 SO 4 schwerlöslich, haftet an der Elektrode

41 Borverbindungen X B X X Oktettregel nicht erfüllt!

42 Bor-Wasserstoff Wasserstoff-Verbindungen (Borane) Einfachtes Boran: B 2 H 6, Diboran ( BH 3 erfüllt die Oktettregel nicht) Industrielle Darstellung von B 2 H 6 (techn. Bedeutung als Reduktionsmittel) 180 C 2 BF NaH B 2 H NaF

43 Borsäure Schichtstruktur Verknüpfung der B(OH) 3 Moleküle über Wasserstoff Brücken

44 Borsäure ist eine schwache Säure, gibt aber nicht selbst Protonen ab, sondern lagert OH- an (H+ stammt aus H 2 O) Titration von Borsäure wird durch Bildung von Oligoboraten im Alkalischen gestört. Zusatz von Diolen (Glykol, Mannit) Monomere, Verschiebung des Umschlagspunkts in den sauren Bereich

45 Synthese von Borsäuretrimethylester, B(OCH 3 ) 3 grüne Flammenfärbung Mechanismus:

46 Technische Herstellung von Aluminium ( Bayer Verfahren) AlO(OH) Bauxit NaOH Na[Al(OH) 4 ] + Fe 2 O 3 Impfen Al(OH) C 1) Gewinnung von reinem Al 2 O 3 aus Bauxit, einem wichtigen Aluminiummineral 2) Darstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse von Al 2 O 3 Al 2 O 3 Na 3 [AlF 6 ] Eutektikum 10.5% Al 2 O 3 ; 89.5% Na 3 [AlF 6 ] Schmp.: 960 C Elektrolyse Al

47 Reaktionsverhalten von Aluminium Al ist ein starkes Reduktionsmittel (Thermit-Reaktion)

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50 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 Identifizierung der Alkalimetalle durch charakteristische Flammenfärbungen: Energie der Flamme ist ausreichend, um a) Alkalimetall-Atome aus den Salzen zu erzeugen b) die Atome vom elektronischen Grundzustand in angeregte Zustände zu überführen Flammenfärbung wird durch Lichtemission beim Übergang vom angeregten in den Grundzustand (oder einen energieniedrigeren angeregtenzustand) hervorgerufen, z.b. Li 1s 2 2p 1 (angeregt) Li 1s 2 2s 1 (Grundzust), Emission bei 670nm (rot)

51 Chemisches Verhalten der Alkalimetalle Alkalimetalle sind starke Reduktionsmittel Normalpotentiale: Li -3.0, Na -2.7, K -2.9 V Reaktion mit Wasser (mehr oder weniger heftig): M + H 2 O MOH(aq) + 1/2 H 2 Reaktion mit Sauerstoff: Bildung unterschiedlicher Oxide! 4 Li + O 2 2 Li 2 O (enthält Oxidionen O 2- ) 2 Na + O 2 K + O 2 Na 2 O 2 (enthält Peroxidionen O 2-2 ) KO 2 (enthält Superoxidionen O - 2 ) Rb, Cs reagieren wie K Reaktion mit Halogenen: Bildung der Halogenide 2 M + X 2 2 MX

52 Soda-Darstellung nach dem Solvay-Verfahren Edukte: CaCO 3 (Kalk) und NaCl (beides sehr billig!) Produkte: Na 2 CO 3 (Soda) und CaCl 2 (Abfall) Die direkte Umsetzung von NaCl mit CaCO 3 liefert kein Soda, da Ca 2+ eine viel höhere Affinität zu Carbonat hat als Na + Daher wird aus CaCO 3 durch Erhitzen CO 2 freigesetzt und dieses mit wäßriger NaCl-Lösung umgesetzt. Als Base zur Deprotonierung der Kohlensäure dient das gebildete CaO (indirekt, NH 3 als Vermittler).

53 Wasserhärte rte Wieso scheidet sich beim Erhitzen von Leitungswasser Kalk ab? Leitungswasser enthält gut lösliches Calciumhydrogencarbonat, Ca(HCO 3 ) 2 Dies steht im Gleichgewicht mit gelöstem CO 2 und (geringen Mengen) gelöstem CaCO 3. Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Beim Erwärmen entweicht CO 2 ( Abnahme der Gaslöslichkeit mit der Temperatur), das Gleichgewicht wird nach rechts verschoben, das Löslichkeitsprodukt des schwerlöslichen CaCO 3 überschritten. Waschmittel enthalten Zeolithe, die als Ionenaustauscher wirken: Bindung von Ca 2+ und Freisetzung von Na + (Enthärtung)

54 Wasserhärte rte 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 M 2+ -Ion pro 100 ml) Heidelberg: sehr hart (außer: Altstadt, Ziegelhausen, Schlierbach)

55 Calcium in Baustoffen Gips: CaSO 4 2 H 2 O (natürliche Vorkommen) Als Baustoff wird gebrannter Gips eingesetzt: CaSO 4 2 H 2 O Erhitzen CaSO 4 ½H 2 O der beim Mischen mit Wasser rasch erhärtet durch Rückbildung von CaSO 4 2 H 2 O (miteinander verfilzende Nadeln)

56 Calcium in Baustoffen Kalkmörtel = gelöschter Kalk + Sand 1000 C CaCO 3 CaO + CO 2 ; CaO + H 2 O Ca(OH) 2 gebrannter Kalk gelöschter Kalk Beim Mischen mit Wasser bildet Kalkmörtel durch Aufnahme von CO 2 aus der Luft langsam CaCO 3, welches kristallisiert und den Sand verkittet. Anwendung: u.a. Verkittung der Steine beim Mauern nur begrenzt wasserbeständig Zement = gebrannter Kalk + Calciumsilikat 1400 C CaCO 3 + Silikate CaO + CaSiO 3 (z.b. Ton) (ungefähre Zusammensetzung) (Überschuß) 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.)