Chemie ionischer Verbindungen. Seminar zum Praktikum am

Transkript

1 Chemie ionischer Verbindungen Seminar zum Praktikum am

2 Themen am Freitag, Atombau Atomkern - Atomhülle E. Rutherford Kreisbahn der e - - Hülle N. Bohr Quantenmechanik Welle-Teilchen-Dualismus E. Schrödinger Wellenfunktion W. Heisenberg Elektronenstruktur der Elemente Pauli-Prinzip Quantenzahlen Hund sche Regel Aufbau des Periodensystems Elektronenkonfiguration Elementklassen s-, p-, d-orbitale Gruppen Perioden

3 Periodische Eigenschaften der Elemente

4 Periodische Eigenschaften der Elemente Atomradien: Gruppe: Periode: Radien steigen nach unten (mehr innere Elektronen) Radien fallen nach rechts (stärkere Kontraktion wegen höherer Kernladung) Ionenradien: gleiche Tendenz aber nur bei gleicher Ladung! Ladung sehr entscheidend!

5 Periodische Eigenschaften der Elemente Elektronegativität: Maß dafür, wie stark ein Atom in einer kovalenten Bindung e - anzieht Summe und Differenz der EN entscheiden über Bindungsart! ionisch ( EN groß) NaCl kovalent (ΣEN groß, klein) SO 2 metallisch (ΣEN klein, klein) Cu/Sn = Messing Elektronenaffinität: Maß dafür, wie leicht ein e - aufgenommen wird + -

6 Periodische Eigenschaften der Elemente andere Eigenschaften der Elemente und deren Verbindungen ändern sich aufgrund der eben genannten Tendenzen ebenfalls! Metallcharakter Charakter der Oxide / Hydroxide Na 2 O basisch SO 3 sauer Al(OH) 3 amphoter einige Eigenschaften: Unterteilung in HG und NG nötig

7 Strukturen einfacher Ionenverbindungen AB Voraussetzung zum Verständnis: 1. Coulomb-Kräfte sind nicht gerichtet maximale Anzahl von Kationen um Anionen und umgekehrt 2. Anionen viel größer als Kationen Entscheidende Frage: Wieviele Anionen passen um ein Kation? Radienverhältnisse

8 Strukturen einfacher Ionenverbindungen AB CsCl Typ Kubisch-primitive Kugelpackung der Cl -Ionen Cs + in den Würfelmitten Koordinationszahl 8+6 für Kation und Anion r K /r A > 0,73 CsCl, CsBr, CsI, NH 4 Cl

9 Strukturen einfacher Ionenverbindungen AB NaCl Typ Kubisch-dichteste Kugelpackung der Cl -Ionen Na + in den Oktaederlücken Koordinationszahl 6 für Kation und Anion r K /r A = 0,73 0,41 LiF, LiCl, NaF, NaCl, KCl, RbF, RbCl MgO, CaO, BaO, AgF, AgCl, AgBr

10 Strukturen einfacher Ionenverbindungen AB ZnS Zinkblende Kubisch-dichteste Kugelpackung der S-Atome Zn in den Tetraederlücken Koordinationszahl 4 für Kation und Anion r K /r A = 0,41 0,22 ZnS, CdS, GaAs, GaP, CuCl, BeO, BeS, MgTe Splitvariante der Diamantstruktur

11 Strukturen einfacher Ionenverbindungen AB NaTl Ionische Zerlegung in Na + und Tl Tl gleiche e - Zahl wie C Diamant - Teilstruktur Na + in den Lücken

12 Strukturen einfacher Ionenverbindungen AB Kugelpackungen Besetzung von Lücken Geometrische Faktoren Kovalente Wechselwirkungen Elektronen zählen Elektronische Faktoren

13 Alkali- und Erdalkalimetalle Na, K, Ca, Mg gehören zu den achthäufigsten chem. Elementen der Erdrinde Aufbau der Erdrinde: Ca: 3,63 % Mg: 2,59 % Gesteinsbildende Mineralien: Carbonate, Sulfate, Silicate, Phosphate, Chloride, Fluoride Dolomit CaMg(CO 3 ) Magnesit MgCO 3 Olivin (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ] Bittersalz MgSO 4 x 7H 2 O Apatit Ca 5 (PO 4 ) 3 F Gips CaSO 4 x 2 H 2 O

14 4.1 Reaktionen von Alkalimetallen Eigenschaften: 1. Hauptgruppe des PSE Elektronenkonfiguration s 1 Relativ weich Niedrige Schmelz- u. Siedepunkte Geringe Elektronegativität Sehr reaktive Metalle starke Reduktionsmittel H Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba Ra

15 4.1 Reaktionen von Alkalimetallen Reaktion mit Wasser und Alkoholen: 2 Na + 2 H 2 O 2 Na OH - + H 2 2 Na + 2 CH 3 CH 2 OH 2 Na CH 3 CH 2 O - + H 2 Reaktivität je nach Alkalimetall und R-OH unterschiedlich Beobachtungen notieren

16 4.2 Erhitzen von Carbonaten und Nitraten MgCO 3 MgO + CO C: kaustische Magnesia bindet mit Wasser ab; kann als Mörtel verwendet werden C: Sintermagnesia bindet nicht mehr mit Wasser ab; hochfeuerfest, Auskleidung von Öfen, Magnesiarinne chemisch tot CaCO 3 CaO + CO C: gebrannter Kalk reagiert mit Wasser unter starker Wärmeentwicklung unter Bildung von Ca(OH) C: BaCO 3 BaO + CO 2

17 4.2 Erhitzen von Carbonaten und Nitraten 2 Na(NO 3 ) 2 2 NaNO 2 + O 2 Alkalimetallnitrate zersetzen sich unter Sauerstoffabspaltung zu Nitriten 2 Ba(NO 3 ) 2 2 BaO + 4 NO 2 + O 2

18 4.2 Erhitzen von Carbonaten und Nitraten Allgemeine Beobachtungen: Be Mg Ca Sr Ba Ra Beständigkeit der Carbonate: nimmt zu Beständigkeit der Nitrate: nimmt zu Löslichkeit der Oxide: nimmt zu Alle Nitrite sind gut wasserlöslich (außer AgNO 3 ) die entsprechende Säure (HNO 2 Salpetrige Säure) ist eine eher schwache Säure (pks : 3,29) ph-werte der entsprechenden Lösungen?

19 4.2 Erhitzen von Carbonaten und Nitraten Magnesiarinne Thermisches Verhalten der Carbonate und Nitrate von Na, K, Mg, Ca, Ba Spatelspitze Substanz über der Flamme zur Weißglut erhitzen Beobachtungen notieren (Gasbildung etc.) Rückstand in Wasser lösen ph-wert messen Brenner Ergebnis: Löslichkeit und Hydrolyse-Verhalten der Reaktionsprodukte

20 4.3 Wärmetönung CaCl 2 + Wasser Substanzen in Wasser lösen Temperatur der Lösung messen Stichworte: Gitterenergie Hydratationsenthalpie Lösevorgang exotherm endotherm ClCl 2 CaCl 2 * 6H 2 O 40 ml Wasser

21 Struktur von CaCl 2 wasserfrei Ca oktaedrisch von 6 Cl umgeben Oktaeder spitzenverknüpft

22 Struktur von CaCl 2 * 6H 2 O jedes Ca von 9 (!) O-Atomen umgeben je 6 O-Atome gehören zu zwei Ca-Atomen keine direkten Ca-Cl- Kontakte

23 Gitterenergie Gitterenergie ist diejenige Energie, die erforderlich ist, um 1 Mol einer kristallinen Substanz bei der Temperatur Null Kelvin so zu zerlegen, dass sich ihre Bausteine unendlich voneinander entfernen Als Bausteine sind zu verstehen: Moleküle bei niedermolekularen Verbindungen Ionen bei ionischen Verbindungen Atome bei Metallen und reinen Elementen

24 Hydratationsenthalpie Hydratationsenthalpie ist die Energie, die frei wird, wenn bei dem (hypothetischen) Prozess Ionen aus dem Gaszustand in hydratisierte Ionen überführt werden. Die Hydratation beim Auflösen eines Ionenkristalls in Wasser liefert Energie Gitterenergie und Hydratationsenthalpie haben entgegengesetzte Vorzeichen Auflösungsprozess eines Ionenkristalls

25 4.3 Wärmetönung CaCl 2 + Wasser Falls Hydratationsenthalpie > als Gitterenergie: Lösungsvorgang exotherm: Wärme wird frei Falls Hydratationsenthalpie < als Gitterenergie: Lösungsvorgang endootherm: Lösen unter Abkühlung Diff. der Energiebeträge wird dem Lösungsmittel entzogen Auflösungsprozess eines Ionenkristalls

26 4.5 Fällung und Komplexierung Ziel: Reaktionsverhalten der einzelnen Substanzen kennelernen Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ Pb 2+ OH - weißer NS NH 3 CO 3 2- SO 4 2- weißer feinkristalliner NS C 2 O 4 2-

27 4.6 Flammenfärbung und Spektroskopie Elemente senden bei hohen Temp. im gasförmigen Zustand und bei Anregung Licht bestimmter Wellenlänge aus. Äußere Elektronen werden auf höhere Energieniveaus angehoben Beim Zurückfallen wird die Energie-Diff. in Form von Licht der Frequnez ν und der Wellenlänge λ abgegeben. E = h * n = h * c/l Anregungsenergien der Alkali- und z.t. der Erdalkalimetallen sehr niedrig (Temp. der Bunsenbrennerflamme) charakteristische Färbung der Flamme

28 4.6 Flammenfärbung und Spektroskopie Lithium rot Natrium gelb brennt mehrere Minuten intensiv! Kalium blass violett oft schwer zu erkennen Kobaltglas: blendet die gelbe Na-Farbe heraus Calcium ziegelrot Strontium rot-orange Barium grün oft schwer zu verdampfen, daher schwach

29 4.6 Flammenfärbung und Spektroskopie

30 O O 4.8 Sr 2+ u. Ba 2+ Nachweis mit Rhodizonat-Lsg. O O OH OH Salz der Rhodizonsäure (5,6-Dihydroxy-5-cyclohexen-1,2,3,4-tetraon) in neutraler Lsg.: gefärbte Niederschläge mit Ba 2+ und Sr 2+, aber nicht mit Ca 2+ Zugabe von HCl: Ba-rhodizonat: hellrote Verbindung; schwerlöslich Sr-rhodizonat: löst sich auf O 2- O O O O O Ba 2+ + Ba O O O O O O

31 Trennungsgang der Erdalkaliionen Na + K + NH 4 + Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ 1 : 1 NH 3 / NH 4 + ph ~ 9,5 + (NH 4 ) 2 CO 3 Kurz aufkochen! Mg 2+ CaCO 3 SrCO 3 BaCO 3

32 Löslichkeiten der Erdalkalisalze Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ OH CO SO CrO unterschiedliche Löslichkeiten dienen zur Trennung und zum Nachweis der entsprechenden Metallionen (siehe Versuch 4.5)

33 Theorie zum Trennungsgang Trennung der Erdalkaliionen [Ca 2+, Sr 2+, Ba 2+ ] von Mg 2+ (u. Alkaliionen) Wichtig: ph-wert muss ziemlich genau eingestellt werden! Falls ph > 10, droht Fällung von Mg(OH) 2 optimal: ph = 9 Fällungsreagenz: Ammoniumcarbonat (NH 4 ) 2 CO 3 entsteht erst beim Kochen! O NH O C NH 2 + H 2 O NH HCO NH 3 Ba 2+ + HCO 3 - BaCO 3 + H + Beim Fällen wird die Lösung sauer Puffer notwendig! Idealer Puffer: NH 3 / NH : 1 bei ph ~ 9.5 Bei ph = 9 fällt noch kein Mg(OH) 2 aus

34 Theorie zum Trennungsgang + [ NH ] [ OH ] 4 [ NH ] 3 = ( K ) [ H O ] [ OH ] = 10 ( K ) B 3 W K B = + [ NH4 ] K W + [ NH ] [ H O ] K W [ ] [ NH4 ] H O = 3 [ NH ] [ ] [ NH4 ] H O = 3 [ NH ] [ ] [ NH4 ] H O = 10 3 K 10 B 5 3 [ NH ] 3 3 Wenn Konzentrationen von NH 3 und NH 4+ im Verhältnis 1 : 1 vorliegen, ist der ph = 9

35 Theorie zum Trennungsgang Welche Menge an Mg 2+ bleibt bei ph = 9 noch in Lösung? L Mg ( OH ) 2 = 2+ [ Mg ] [ OH ] 2 = mol 3 l 3 (1) Hydroxid-Konzentration ausrechnen und in Gleichung (1) einsetzen: bei ph = 9 : 5 mol 2+ [ OH ] = 10 [ Mg ] l 10 = = 10 1 mol l bei ph = 10 : 4 mol 2+ [ OH ] = 10 [ Mg ] l 10 = = 10 3 mol l

36 Trennungsgang der Erdalkaliionen Na + K + NH 4 + Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ 1 : 1 NH 3 / NH 4 + ph ~ 9,5 Mg 2+ + OH Mg(OH) 2 CaCO 3 SrCO 3 BaCO 3 + HAc 1 : 1 HAc / Ac ph ~ 4,5 Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ +CrO 4 2- Ca 2+ Sr 2+ BaCrO 4 gelb Warum Puffer? Cr 2 O H 2 O 2 CrO H + Ba 2+ + CrO 4 2- BaCrO 4

37 Trennungsgang der Erdalkaliionen Na + K + NH 4 + Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ 1 : 1 NH 3 / NH 4 + ph ~ 9,5 Mg 2+ + OH Mg(OH) 2 CaCO 3 SrCO 3 BaCO 3 + HAc 1 : 1 HAc / Ac ph ~ 4,5 Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ +CrO 4 2- Ca 2+ Sr 2+ BaCrO 4 gelb Ca 2+ +Na 2 CO 3 CaCO 3 Sr 2+ SrCO 3 Waschen +HAc Lsg. CrO frei teilen +CaSO 4 Lsg. Kalt gesättigt +(NH 4 ) 2 SO 4 Kalt gesättigt SrSO 4 Ca 2+ + Oxalat CaC 2 O 4 SrSO 4 quant. CaSO 4 semi-quant.

38 Nachweise der Alkaliionen Na + K + NH 4 + Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ 1 : 1 NH 3 / NH 4 + ph ~ 9,5 + (NH 4 ) 2 CO 3 Kurz aufkochen! Mg 2+ CaCO 3 SrCO 3 BaCO 3 und Alkaliionen Lösung eindampfen (vorsichtig und langsam, da sonst Verlust entstehen) aus dem festen Rückstand: Flammenfärbung oder Spektroskopie

39 Ergebnis der qualitativen Analyse: Zum Protokoll Beispiel Kationen: Mg 2+, Ba 2+, K +, NH 4 +