Anorganische Chemie I Dr. Egbert Figgemeier. 30. Oktober 2006

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1 Anorganische Chemie I Dr. Egbert Figgemeier 30. Oktober 2006

2 Glas: Alkalimetalle - Nachtrag

3 Erdalkalimetalle Be Mg Ca Sr Ba Ra

4 Erdalkalimetalle Physikalische Eigenschaften Metallische Leiter. Sehr hohee Schmelzpunkt (1560 K für Be) Im Prinzip periodische Eigenschafter (Ausnahme: Ba hat kleinerer IE als Ra Effekt des inerten 6s-Paares ). Charakteristische Flammenfärbung: Ca orange rot; Sr Karminrot; Ba Apfelgrün. Be Mg Ca Sr Ba Ra

5 Erdalkalimetalle Physikalische Eigenschaften Radioaktivität: 90 Sr β-strahler. Spaltprodukt des Urans aus nuklearem Abfall und Atomunfällen Einlagerung in Knochen mit Calciumphosphat. 226 Ba α-strahler. Zerfallsprodukt des Urans. Wurde früher zur Krebsbehandlung eingesetzt.

6 Erdalkalimetalle - Vorkommen Be Beryll (Be 3 Al 2 [Si 6 O 18 ]); Smaragd, Aquamarin Mg Ca Sr MgCl 2 ; Dolomit (CaCO 3 MgCO 3 ); Magnesit (MgCO 3 ) Dolomit (CaCO 3 MgCO 3 ); Kreide, Kalkstein, Marmor (CaCO 3 ); Gips (CaSO 4 2H 2 O) Celestit (SrSO 4 ); Strontianit (SrCO 3 ); Ba Baryt (BaSO 4 ) Ra (in Uranerzen)

7 Erdalkalimetalle - Vorkommen

8 Erdalkalimetalle - Herstellung Be Be 3 Al 2 [Si 6 O 18 ] + Na 2 SiF 6 ΔT BeF 2... BeF 2 + Mg 1550 K Be + MgF 2 Mg CaCO 3 MgCO 3 ΔT, - CO 2 CaO + MgO 2CaO + 2MgO + FeSi 1450 K 2Mg + Ca 2 SiO 4 + Fe Mg,Ca, Sr, Ba MCl e - M + 2 Cl - (Elektrolyse)

9 Erdalkalimetalle - Verwendung Beryllium Vorsicht bei der Verwendung! Beryllium und dessen lösliche Verbindungen sind extrem toxisch! Sehr hoher Schmelzpunkt (1560 K) Verwendung in Flugzeugen, Raketen, Satelliten. Ausserdem: Röntgenröhren, Kerntechnik aufgrund der niedrigen Elektronendichte und somit einer geringen Absorption von elektromagnetischen Strahlen und Neutronen. Beryllium-Kupfer-Legierungen: Leitfähig. Hart. Korrosionsbeständig.

10 Erdalkalimetalle - Verwendung Magnesium Legierungen mit Al: Flugzeugbau, Autos, Leichtmetallwerkzeuge. Feuerwerkskörper. Essentieller Bestandteil des Chlorophylls.

11 Erdalkalimetalle - Verwendung Calcium: Metall: Legierungen mit Blei. Reduktionsmittel zur Herstellung von Thorium, Uran, Vanadium. Halogenide: CaCl 2 Streusalz im Winter in den USA (exotherme Wasseraufnahme + thermodynamischer Effekt). Oxide: CaO, Ca(OH) 2, CaO MgO, Ca(OH) 2 MgO, Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 Jahresproduktion: Miot. Solvay-Prozess (Glasproduktion, Stahlproduktion). Mörtel Kalk und gebrannter Kalk.

12 Erdalkalimetalle - Verwendung Mörtel: CaO (s) + H 2 O (l) gebrannter Kalk Ca(OH) 2 (susp.) gelöschter Kalk Achtung: Wärmeentwicklung Ca(OH) 2 (s) + CO 2 CaCO 3 (s) + H 2 O (l) (+ Sand - Bindemittel) Bildung von Ethin: CaO + 3 C CaC 2 + CO CaC H 2 O Ca(OH) 2 + C 2 H 2

13 Erdalkalimetalle - Verwendung Strontium: In Glasscheiben von Fernsehern zur Reduzierung der Röntgenstrahlen (75 %) als SrO. Feuerwerk (rot). Magneten. Barium: Bohrflüssigkeiten, Bohrspülmittel. Kontrastmittel in der Radiologie (Absorbiert Röntgenstrahlen)

14 Erdalkalimetalle Chemische Eigenschaften Sonderstellung des Berylliums: Kleiner Radius des Be-Atoms und des BeII-Ions (r BeII = ½ r MgII ). Stark polarisierende Wirkung des BeII-Ions kovalenter Charakter der Verbindungen. H 2,2 Li 1,0 Be 1,6 B 2,0 C 2,6 N 3,0 O 3,4 F 4,0 Na 0,9 Mg 1,3 Al(III) 1,6 Si 1,9 P 2,2 S 2,6 Cl 3,2 K 0,8 Rb 0,8 Ca 1,0 Sr 0,9 d-block- Elemente Ga(III) 1,8 In(III) 1,8 Ge(IV) 2,0 Sn(II) 1,8 Sn(IV) 2,0 As(III) 2,2 Sb 2,1 Se 2,6 Te 2,1 Br 3,0 I 2,7 Cs 0,8 Ba 0,9 Tl(I) 1,6 Tl(III) 2,0 Pb(II) 1,9 Pb(IV) 2,3 Bi 2,0 Po 2,0 At 2,2

15 Erdalkalimetalle Chemische Eigenschaften Reaktion mit Halogenen: M + X 2 2 MX 2 Reaktion mit N 2 : 3M + N 2 M 3 N 2 Reaktion mit O 2 : 2M + O 2 2 MX Reaktion mit Schwefel: 8M + S 8 8MS Reaktion mit Wasserstoff: M + H 2 MH 2 (salzartige Hydride) (M = Ca, Sr, Ba Mg nur unter hohem Druck) Reaktion mit Kohlenstoff:: M + 2C MC 2 (M = Mg, Ca, Sr, Ba) CaC 2 : Zur Produktion von Acetylen im grosstechnischen Masstab.

16 Erdalkalimetalle Halogenide Be-Halogenide: Kovalente Verbindungen! Mg-, Ca-, Sr-, Ba-Halogenide: Hochschmelzende Salze! BeCl 1070 K 2 2BeO + CCl 4 2BeCl 2 + CO 2 Gasförmig linear/monomer Fest gewinkelt/polymer BeCl 2 ist eine Lewissäure (Elektronenpaar-Akzeptor).

17 Erdalkalimetalle Oxide / Peroxide / Hydroxide Oxide: ΔT Be + O 2 BeO MCO 3 ΔT MO + CO 2 (M = Mg, Ca, Sr, Ba) Peroxide: MO 2 (M = Mg, Ca, Sr, Ba) MgCO 3 + H 2 O 2 MgO 2 + H 2 O + CO 2 MgO 2 : Verwendung in Zahnpasta Stark oxidierende Eigenschaften: MO 2 MO + ½ O 2

18 Erdalkalimetalle Oxide / Peroxide / Hydroxide Hydroxide: M(OH) 2 Amphoter Basisch I II III IV V VI VII VIII 1 H 3 Li 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs 87 Fr 4 Be 12 Mg 20 Ca 38 Sr 56 Ba 88 Ra 5 B 13 Al 31 Ga 49 In 81 Tl 6 C 14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb 7 N 15 P 33 As 51 Sb 83 Bi 8 O 16 S 34 Se 52 Te 84 Po 9 F 17 Cl 35 Br 53 I 85 At 2 He 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn Amphotherie: Löslichkeit sowohl in Säuren als auch in Basen, d.h. eine amphotere Verbindung kann sowohl Säure- als auch Basenverhalten zeigen.

19 Erdalkalimetalle Salze der Oxosäuren Permanente Wasserhärte: z.b. CaSO 4 ; MgSO 4 Temporäre Wasserhärte: Ca(HCO 3 ) 2 (aq) CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O (l) Durch Erhöhung der Temperatur wird das CO2 ausgetrieben und das Gleichgewicht nach rechts verschoben Kalkablagerungen! Wasserenthärtung: Phosphate (früher). Zeolite Einlagerung in Kavitäten(heute).

20 Erdalkalimetalle - Komplexchemie [Ca 2 {N(SiMe 3 ) 2 } 2 {μ-n(sime 3 ) 2 } 2 Porphyrin Chlorophyll A Ca 9 (μ 3 -O) 8 (μ-o) 8 O 20

21 Theorie - Molekülsymmetrie Trigonal Planar Aber: Reicht es aus, um die Form eindeutig zu charakterisieren? Die Molekülsymmetrie wird durch die Gruppentheorie theoretisch erfasst! Gruppentheorie zur Vorhersage von: Aufstellung von Molekül und Hybridorbitalen. Interpretation von spektroskopischen Beobachtungen. Entscheidung über Chiralität.

22 Theorie - Molekülsymmetrie Symmetrieoperation Punktgruppe Eine Symmetrieoperation ist eine Operation, die ein Objekt nach ihrer Ausführung in eine Konfiguration überführt, die mit der ursprünglichen Konfiguration deckungsgleich und nicht von ihr zu unterscheiden ist. Objekte (z.b. Moleküle) werden gemäss der vorhandenen Symmetrieelemente in Punktgruppen eingeordnet werden. Symmetrielemente Eine Symmetrieoperation wird an Punkten, Linien oder Ebenen, den so genannten Symmetrieelementen durchgeführt. Charaktertafel Jede Punktgruppe besitzt eine Charaktertafel, welche sich durch Anwendung der Gruppentheorie ergibt. Aus den Charaktertafeln ergeben sich Orbitale und spektroskopische Eigenschaften.

23 Theorie - Molekülsymmetrie Symmetrieoperation Drehung um eine n-zählige Achse: Erinnerung: Nach Durchführung der Operation darf sich die Konfiguration nicht von der ursprünglichen Konfiguration nicht unterscheiden lassen. Drehwinkel = 120 = 360 /n Hier: n = 3 Das Molekül besitzt eine 3-zählige Achse. Eine 3-zählige Achse wird durch C 3 abgekürzt!

24 Theorie - Molekülsymmetrie Symmetrieoperation Drehung um eine n-zählige Achse: Ausserdem, die Drehung um 360 nennt man Identitätsoperator E.

25 Theorie - Molekülsymmetrie Symmetrieoperation Spiegelung an einer Symmetrieebene Symmetrieelement = Symmetrieebene σ Symmetrieebene steht senkrecht zur Hauptdrehachse σ h Symmetrieebene steht senkrecht zur Hauptdrehachse σ v Die Hauptdrehachse ist die Achse mit der höchsten Zähligkeit!

26 Theorie - Molekülsymmetrie σ h σ v σ h

27 Theorie - Molekülsymmetrie Symmetrieoperation Spiegelung an einem Symmetriezentrum Symmetrieelement = Inversionszentrum i

28 Theorie - Molekülsymmetrie Symmetrieoperation Drehung um eine Achse gefolgt von einer Spiegelung an einer Ebene senkrecht zu dieser Achse. Symmetrieelement = n-zählige Drehspiegelachse S n.

29 Theorie - Molekülsymmetrie Folgeoperationen Um die exakt gleiche Konfiguration zu erreichen muss z.b. eine C 3 - Operation 3-mal durchgeführt werden - C 33. Dies entspricht E. Beispiel: Drehspiegelachse. S 3 = C 3 σ h