Die Elemente der 6. Hauptgruppe: Chalkogene

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1 Die Elemente der 6. Hauptgruppe: Chalkogene Chalkogene = Erzbildner Sauerstoff Oxide Schwefel Schwefelverbindungen Umweltaspekte 1

2 Gruppeneigenschaften radioaktiv 2

3 Sauerstoff - Vokommen Häufigstes Element auf der Erde (Massenanteil 49,4 %) in Luft (Volumenanteil 21 %) in Wasser (Masseanteil 89 %) in der Erde (50 %), als Bestandteil von Mineralien SiO 2 (Sand) Silikate, Carbonate, Sulfate, Phosphate wichtiger Bestandteil von Flora und Fauna 60 % des menschlichen Körpers sind gebundener Sauerstoff Photosynthese 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 (Sonnenlicht + Chlorophyll) 300 Mrd Tonnen O 2 werden jährlich durch Photosynthese erzeugt 1 Baum produziert ca 15 g O 2 pro Tag 2 verschiedene Modifikationen: O 2 (normaler Sauerstoff), O 3 (Ozon) 3

4 Technische Gewinnung (99 %) Verflüssigung von Luft und fraktionierte Destillation (Anreicherung von O 2 durch wiederholtes Verdampfen und Kondensieren) nach dem LINDE-Verfahren Sdp.(O 2 ) = -183 C, Sdp. (N 2 ) = -196 C In sehr reiner Form durch Wasser-Elektrolyse (kostspielig!) 4

5 Darstellung im Labor durch Zersetzung von Peroxiden aus edlen Oxiden durch Zersetzung von Kaliumchlorat 5

6 Physikalische Eigenschaften von Sauerstoff 6

7 Reaktionen von Sauerstoff (O 2 ) O 2 ist ein starkes Oxidationsmittel z. B. Verbrennung von Kohle C + O 2 CO 2 ΔH 0 = kj/mol (stark exotherm) O 2 reagiert bei Raumtemperatur häufig sehr langsam (sehr stabile O=O-Bindung, muß aktiviert werden, z B. durch Zündung) O 2 2 O ΔH 0 = 498 kj/mol O 2 kann 3 verschiedene Oxide bilden normale Oxide enthalten das Anion O 2- Peroxide enthalten das Anion O 2 2- Hyperoxide enthalten das Anion O 2-7

8 Sauerstoff fördert die Verbrennung Eine mit flüssigem Sauerstoff getränkte Zigarette brennt innerhalb von 3 Sekunden ab. Zuletzt explodiert der Filter. 8

9 Heftige Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff Mg-Späne (z. B. in Wunderkerzen) verbrennen mit grell weißer Flamme 9

10 Reaktionen von Sauerstoff (O 2 ) mit Metallen O 2 reagiert mit fast allen Metallen zu normalen Oxiden mit vorwiegend ionischem Charakter Beispiele: Li 2 O MgO Al 2 O 3 Bei Metallen, die in mehreren Oxidationsstufen auftreten können, hängt die Zusammensetzung von den Stoffmengen an O 2 und Metall, sowie von der Temperatur ab Beispiele: FeO Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 Natrium und Barium verbrennen zu Peroxiden Na 2 O 2 BaO 2 Kalium, Rubidium und Cesium verbrennen zu Hyperoxiden KO 2 RbO 2 CsO 2 Metalloxide bilden mit Wasser basische Lösungen 10

11 Reaktionen von Sauerstoff (O 2 ) mit Nichtmetallen O 2 reagiert direkt mit allen Nichtmetallen außer Edelgasen und Halogenen zu normalen Oxiden Beispiele: H 2 O SiO 2 CO 2 Mit H 2 wird in Gegenwart eines Katalysators (Palladium/Gold) das Peroxid H 2 O 2 gebildet Bei der Reaktion mit Kohlenstoff und Phosphor hängt die Zusammensetzung der Produkte von den Stoffmengen der Reaktanden ab: Beispiele: CO CO 2 P 4 O 6 P 4 O 10 Mit Stickstoff reagiert O 2 nur bei hohen Temperaturen zu NO (endotherme Reaktion). NO reagiert bei Raumtemperatur zu NO 2 Schwefel verbrennt zu SO 2, das katalytisch zu SO 3 oxidiert werden kann Nichtmetalloxide bilden mit Wasser saure Lösungen 11

12 Nachweis von Sauerstoff - Glimmspanprobe Sauerstoff fördert die Verbrennung 12

13 Oxide des Wasserstoffs Wasser (H 2 O) I Wasservolumen der Erde: 1, km 3, davon 2,6 % Süßwasser Siedepunkt 100 C, Schmelzpunkt 0 C (bei 1 bar) maximale Dichte bei 4 C: 1,00 g/cm 3 Dichte von Eis 0,92 g/cm 3 Das Wassermolekül ist tetraedrisch gebaut (Bindungswinkel 109 ) sehr stabile Verbindung bei 2000 C sind nur 2 % der Wassermoleküle in O 2 und H 2 gespalten 13

14 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. 14

15 Oxide des Wasserstoffs H 2 O 2 Eigenschaften Siedepunkt: 150,2 C Schmelzpunkt: -0,4 C explosionsartige Zersetzung beim Erhitzen Ursache: schwache O-O-Bindung (ΔH 0 = 98 kj/mol) reagiert mit vielen Stoffen als Oxidationsmittel z. B. mit Fe 2+, Cr 3+, SO 2 reagiert mit starken Oxidationsmitteln als Reduktionsmittel z. B. mit MnO 4-, Cl 2 Verwendung Als Oxidationsmittel (keine belastenden Abfallprodukte) Zur Abwasserbehandlung (Zersetzung von organischen Verunreinigungen) Als Bleichmittel in der Papier-Zellstoff- und Textilindustrie 15

16 Reaktion von H 2 O 2 mit Braunstein Bei der Reaktion von Braunstein (MnO 2 ) oder Kaliumpermanganat (KMnO 4 ) mit H 2 O 2 wird O 2 freigesetzt. Nachweis mit Glimmspan. 16

17 Redoxeigenschaften von H 2 O 2 In saurer Lösung als Oxidationsmittel als Reduktionsmittel In basischer Lösung als Oxidationsmittel als Reduktionsmittel 2 17

18 Ozon (O 3 ) 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 O 2 O 2 2 O (harte UV-Strahlung, λ < 240 nm) O + O 2 O 3 18

19 Ozon (O 3 ) Chemische Eigenschaften instabiles Molekül 2 O 3 3 O ,6 kj/mol (z. B. durch UV-Strahlung mit λ < 320 nm) starkes Oxidationsmittel Auswirkungen auf den Menschen (ca μg/m 3 ) 19

20 Ozon oben wichtig, unten giftig Die Ozonschicht ist lebenserhaltend O 2 2 O O + O 2 O 3 (λ < 240 nm) O 3 O 2 + O O 3 + O 2 O 2 (λ < 310 nm) 20

21 Das Ozonloch Zerstörung der Ozonschicht durch Industrie- und Autoabgase durch Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) durch Halone (vollhalogenierte Brom-haltige Kohlenwasserstoffe) 21

22 Maßnahmen zum Schutz der Ozonschicht Reduzierung der Weltproduktion an Ozon-Schadstoffen 1986 FCKW t t Halone t H-FCKW t t Ersatzstoffe H-FCKW, erlaubt bis 2026 (EU) bzw (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!! 23

23 Biologische Bedeutung von Sauerstoff Für die Atmung 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Chlorophyll CO 2 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 Fe 2+ - Komplex, der locker gebundenen O 2 aufnehmen und abgeben kann ohne selbst oxidiert zu werden 24

24 Schwefel 25

25 Ein bißchen Historie - Schwarzpulver Einer Überlieferung zufolge soll der Franziskaner- Mönch 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. 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 26

26 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 27

27 Schwefel Vorkommen als Element Gewinnung nach dem FRASCH-Verfahren Schwefel-Geysir 28

28 Vorkommen in Verbindungen Schwermetallsulfide Sulfate Zinnober, HgS Schwerspat, BaSO 4 Gips, CaSO 4 2 H 2 O 29

29 Eigenschaften Smp. 119,6 C 30

30 Reaktionen des Schwefels 31

31 Schwefelwasserstoff Vorkommen Abbauprodukt organischer Materialien H 2 S-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 H 2 S in kalter Lösung von Ethanolamin) 32