43
1 V. Chemie der Nichtmetalle Grundlagen GRUNDLAGEN DER EXPERIMENTALCHEMIE FÜR MASCHINENWESEN 18 17 16 15 14 13 Das Periodensystem - Nichtmetalle 70 Yb 69 Tm 68 Er 67 Ho 66 Dy 65 Tb 64 Gd 63 Eu 62 Sm 61 Pm 60 Nd 59 Pr 58 Ce 57 La * Lanthanoids 113 Uut 112 Uub 111 Rg 110 Ds 109 Mt 108 Hs 107 Bh 106 Sg 105 Db 104 Rf 103 Lr 88 Ra 87 Fr 7 86 Rn 85 At 82 Pb 81 Tl 80 Hg 79 Au 78 Pt 77 Ir 76 Os 75 Re 74 W 73 Ta 72 Hf 71 Lu 56 Ba 55 Cs 6 54 Xe 53 I 50 Sn 49 In 48 Cd 47 Ag 46 Pd 45 Rh 44 Ru 43 Tc 42 Mo 41 Nb 40 Zr 39 Y 38 Sr 37 Rb 5 36 Kr 35 Br 34 Se 31 Ga 30 Zn 29 Cu 28 Ni 27 Co 26 Fe 25 Mn 24 Cr 23 V 22 Ti 21 Sc 20 Ca 19 K 4 18 Ar 17 Cl 16 S 15 P 13 Al 12 Mg 11 Na 3 10 Ne 9 F 8 O 7 N 6 C 4 Be 3 Li 2 2 He 1 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 102 No 101 Md 100 Fm 99 Es 98 Cf 97 Bk 96 Cm 95 Am 94 Pu 93 Np 92 U 91 Pa 90 Th 89 Ac ** Actinoids * ** 84 Po 83 Bi 52 Te 51 Sb 33 As 32 Ge 14 Si 5 B Übergangsmetalle Alkalimetalle Erdalkalimet. 114 Uuq Chalkogene Pnikogene Erdmetalle Halogene Edelgase 1 H Nichtmetalle Nichtmetalle: 18 Elemente mit hoher Elektronenaffinität und Ionisierungsenergie ( Pauling ≥ 2.2)

Das Periodensystem -Nichtmetalle

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1

V. Chemie der Nichtmetalle

Grundlagen

GRUNDLAGEN DER EXPERIMENTALCHEMIE

FÜR MASCHINENWESEN

1

H

18

17 16 15 14 13

Das Periodensystem - Nichtmetalle

70

Yb

69

Tm

68

Er

67

Ho

66

Dy

65

Tb

64

Gd

63

Eu

62

Sm

61

Pm

60

Nd

59

Pr

58

Ce

57

La * Lanthanoids

113

Uut

112

Uub

111

Rg

110

Ds

109

Mt

108

Hs

107

Bh

106

Sg

105

Db

104

Rf

103

Lr

88

Ra

87

Fr 7

86

Rn

85

At

82

Pb

81

Tl

80

Hg

79

Au

78

Pt

77

Ir

76

Os

75

Re

74

W

73

Ta

72

Hf

71

Lu

56

Ba

55

Cs 6

54

Xe

53

I

50

Sn

49

In

48

Cd

47

Ag

46

Pd

45

Rh

44

Ru

43

Tc

42

Mo

41

Nb

40

Zr

39

Y

38

Sr

37

Rb 5

36

Kr

35

Br

34

Se

31

Ga

30

Zn

29

Cu

28

Ni

27

Co

26

Fe

25

Mn

24

Cr

23

V

22

Ti

21

Sc

20

Ca

19

K 4

18

Ar

17

Cl

16

S

15

P

13

Al

12

Mg

11

Na 3

10

Ne

9

F

8

O

7

N

6

C

4

Be

3

Li 2

2

He 1

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3

2 1

102

No

101

Md

100

Fm

99

Es

98

Cf

97

Bk

96

Cm

95

Am

94

Pu

93

Np

92

U

91

Pa

90

Th

89

Ac ** Actinoids

*

**

84

Po

83

Bi

52

Te

51

Sb

33

As

32

Ge

14

Si

5

B

Übergangsmetalle

Alk

alim

eta

lle

Erd

alk

alim

et.

114

Uuq

Chalk

ogene

Pnik

ogene

Erd

meta

lle

Halo

gene

Edelg

ase

1

H

Nic

htm

eta

lle

Nichtmetalle: 18 Elemente mit hoher Elektronenaffinität und Ionisierungsenergie (Pauling ≥ 2.2)

2

V.1. Der Wasserstoff

Elektronenkonfiguration: 1s1

Elektronegativität: 2.2 (Pauling)

Elektronenaffinität: 72.8 kJ/mol

1. Ionisierungsenergie: 1312 kJ/mol

Atomradius: 53 pm

atomar

2-atomiges Gas

Fp.: -259.125 °C

Sdp.: -252.882 °C

kovaleter Radius: 37 pm

elementar

Der Wasserstoff - Anwendungen

Knallgasreaktion: 2 H2 + O2 2 H2O; H = -572 kJ/mol

3

Der Wasserstoff - Bindungstypen

Knallgasreaktion: 2 H2 + O2 2 H2O; H = -572 kJ/mol

Der Wasserstoff - Verbindungen

Eigenschaften Bindung

Bindung bestimmt Eigenschaften

4

Gruppe 18

Elektronenkonfiguration: [Edelgas(n-1)] ns2 np6

atomar elementar

18

17 16 15 14 13

113

Uut

86

Rn

85

At

82

Pb

81

Tl

54

Xe

53

I

50

Sn

49

In

36

Kr

35

Br

34

Se

31

Ga

18

Ar

17

Cl

16

S

15

P

13

Al

10

Ne

9

F

8

O

7

N

6

C

2

He

84

Po

83

Bi

52

Te

51

Sb

33

As

32

Ge

14

Si

5

B

114

Uuq

Edelg

ase

---

2.60

3.00

---

---

0

0

0

0

0

1037

1170

1351

1521

2081

120

108

88

71

38

145

130

110

97

69

2.89

2.30

1.64

1.19

0.33

-61.9

-108.1

-153.2

-185.9

-246.0

V.2. Die Edelgase

EN

(P

aulin

g)

EA

[kJ/m

ol]

1. IE

[kJ/m

ol]

Rato

m [p

m]

Rkoval.

[pm

]

Fp

.

[K

]

Sdp. [°

C]

Zu

sta

nd (

RT

)

--- 0 2372 31 32 --- -268.9 mono-

atomar

18

17 16 15 14 13

113

Uut

86

Rn

85

At

82

Pb

81

Tl

54

Xe

53

I

50

Sn

49

In

36

Kr

35

Br

34

Se

31

Ga

18

Ar

17

Cl

16

S

15

P

13

Al

10

Ne

9

F

8

O

7

N

6

C

2

He

84

Po

83

Bi

52

Te

51

Sb

33

As

32

Ge

14

Si

5

B

114

Uuq

Halo

gene

Gruppe 17

Elektronenkonfiguration: [Edelgas(n-1)] ns2 np5

V.3. Die Halogene

atomar elementar

2.20

2.66

2.96

3.16

3.98

270

295

325

349

328

920

1008

1140

1251

1681

127

115

94

79

42

---

133

114

99

71

301.9

116.7

-7.4

-149.8

-219.8

336.9

183.9

58.9

-34.5

-188.2

di-

atomar

---

220

196

181

133

EN

(P

aulin

g)

EA

[kJ/m

ol]

1. IE

[kJ/m

ol]

Rato

m [p

m]

Rkoval.

[pm

]

Fp

.

C]

Sdp. [°

C]

Zu

sta

nd (

RT

)

5

Die Halogene - Vorkommen

Mineralisch

Natürlich

Halogene = „Salzbildner von ἅλς halos, „Salz“ und γεννάω gennao, „erzeugen“

Die Halogene - Reaktivität

Schwache F-F - Bindung => hohe Reaktivität

Mineralisch

6

Die Halogene - Oxidationskraft und Darstellung

Das leichtere Halogen setzt das schwerere durch Oxidation aus dem Halogenid frei

Chlordarstellung (im Labor)

Chlordarstellung - Alkalichloridelektrolyse

Weder Na+ noch OH- werden beim angelegten Potential entladen

Membranverfahren

7

Chlordarstellung - Alkalichloridelektrolyse

E 0 (Na+ / NaHg) = -1.7 V, Überpotential H2 an Hg Elektrode = 1.4 V

Amalgamverfahren

-1.7 V

Die Halogene - Anwendung

Chlor: Bulk, Zwischenprodukte; Fluor: High-Tech

Chlor - Verwendung

35 % Organische Feinchemikalien

30 % Organische Grundchemikalien

(HnCCl(4-n) n= 0-3, HClC=CCl2,

Cl2C=CCl2, etc.

25 % Vinylchlorid (H2C=CHCl)

PVC (57 gew.-% Cl!)

8.7 % Anorganische Chemikalien

(H3C)2SiCl2; SCl2; PCl3, AlCl3,

FeCl3, TiCl4,

NaOCl, etc.

Silikone

0.6 % Wasserbehandlung

0.2 % Papierbleiche

Fluor - Verwendung

Fluorierte Kunststoffe

Teflon®, Hostaflon®, GoreTex®

UF6 (Isotopentrennung)

Organische Feinchemikalien

Anorganische Chemikalien

NaF (Zahnpasta)

Na3AlF6 (Flußmittel, Al-Herst.)

FCKW, FKW (Kühlmittel)

Produktionsverbot FCKW!

8

Fluor - Schmelzflußelektrolyse

Fluorid kann nur durch Strom oxidiert werden!

Fluorwasserstof aus Flußspat

Elektrolyse von HF

Die Halogenwasserstoffe

17

85

At

53

I

35

Br

17

Cl

9

F

Halo

gene

Fp

.

C]

---

-50.8

-86.9

-114.2

-83.4

Sdp. [°

C]

---

-35.4

-66.7

-85.1

+19.5

DH

[kJ/m

ol]

---

-4.7

-52

-92

-271

HAt

HI

HBr

HCl

HF

9

Die Halogenwasserstoffe

Radikal - Kettenreaktion

17

85

At

53

I

35

Br

17

Cl

9

F

Halo

gene

Fp

.

C]

---

-50.8

-86.9

-114.2

-83.4

Sdp. [°

C]

---

-35.4

-66.7

-85.1

+19.5

DH

[kJ/m

ol]

---

-4.7

-52

-92

-271

HAt

HI

HBr

HCl

HF

Bildung von Chlorwasserstoff

Die Halogenwasserstoffe

Niedrige Aktivierungsbarriere für F2 auf GrundSchwacher F-F Bindung

17

85

At

53

I

35

Br

17

Cl

9

F

Halo

gene

Fp

.

C]

---

-50.8

-86.9

-114.2

-83.4

Sdp. [°

C]

---

-35.4

-66.7

-85.1

+19.5

DH

[kJ/m

ol]

---

-4.7

-52

-92

-271

HAt

HI

HBr

HCl

HF

10

Die Halogenwasserstoffe

Lösungen von Halogenwasserstoffen reagieren stark sauer ! (HF abgeschwächt)

Sauerstoffsäuren des Chlors

Pauling‘sche Regel

(Stärke von Oxo-Säuren)

11

Sauerstoffsäuren des Chlors - Hypochlorige Säure

Hypochlorite sind starke Oxidationsmittel

Desinfektion (Schwimmbäder)

Oxidationsmittel

(Hydratzinherstellung)

Verwendung

Säure-Anhydride

Sauerstoffsäuren des Chlors - Chlorsäure

Chlorate sind Starke Oxidationsmittel

Primär: Erzeugung von Cl2, NaOH, H2

(Vergl. Membranverfahren)

Herstellung

Disproportionierung

- ClO2-Erzeugung

- Dünger

- Sprengstoffe

-Streichhölzer

Verwendung

12

Chlorate / Perchlorate / Chlordioxid

Perchlorsäure und Chlordioxid sind explosiv!

Herstellung Perchlorate: Verwendung

- Feuerwerkskörper

- Feststoff (Booster) Raketen

Chlordioxid: Verwendung

- Bleichmittel

- Wasserbehandlung

Deutlich verringerte Bildung von

chlorierten Kohlenwasserstoffen

(AOX) als mit Cl2

Reduzierte Umweltbelastung

(Verbrauch USA: 760.000 t

Die Halogene - Iod

Iod: leichter oxidierbar, komplexierbar und höhere Koordinationszahlen

13

Die Halogene - Iod

Iod: leichter oxidierbar, komplexierbar und höhere Koordinationszahlen

Chalk

ogene

18

17 16 15 14 13

113

Uut

86

Rn

85

At

82

Pb

81

Tl

54

Xe

53

I

50

Sn

49

In

36

Kr

35

Br

34

Se

31

Ga

18

Ar

17

Cl

16

S

15

P

13

Al

10

Ne

9

F

8

O

7

N

6

C

2

He

84

Po

83

Bi

52

Te

51

Sb

33

As

32

Ge

14

Si

5

B

114

Uuq

Gruppe 16

Elektronenkonfiguration: [Edelgas(n-1)] ns2 np4

V.4. Die Chalkogene

atomar elementar

EN

(P

aulin

g)

2.00

2.10

2.55

2.58

3.44

EA

[kJ/m

ol]

183

190

195

200

141

1. IE

[kJ/m

ol]

812

869

941

1000

1314

Rato

m [p

m]

135

123

103

88

48

Rkoval.

[pm

]

---

135

116

102

73

Fp

.

C]

253.9

449.5

220.8

115.2

-219.2

Sdp. [°

C]

336.9

183.9

58.9

-34.5

-188.2

Vork

om

men (R

T)

cic

Ten

Sen

S8

di-

atomar

Rio

n,

2- [pm

]

---

221

198

184

140

14

Die Chalkogene - Vorkommen

Vorkommen Sauerstoff

Schwefel, Selen, Tellur, Polonium

Chalcogene = „Erzbildner“ von αλκός xalkos, „Kupfer, Bronze“ und γεννάω gennao, „erzeugen“

- Atmosphäre: O2 (Volumenanteil 20.95 %), Ozon (O3)

- Lithosphäre: 50.5 % (Massenanteil; häufigstes Element!)

- Aquasphäre: 86 - 88.8 %

- Erze „weicher“ Metallkationen (Bleiglanz: PbS, Zinnober: HgS, Zinkblende: ZnS,

Kupferkies: CuS, Silbertellurid: AgTe)

- Sulfate (Meerwasser), Tellurate

- Vulkanisch: elementar

Die Chalkogene - Sauerstoff

Gewinnung: Luftverflüssigung

Bindung (Review)

Oxidationen mit Sauerstoff

- Luft: Aufwärmen der 80 % N2

=> geringe Flammentemperatur

- reiner O2: kein N2

=> hohe Flammentemperatur

15

Die Chalkogene - Sauerstoff, Ozon

Die Chalkogene - Sauerstoff, Ozon

16

Die Chalkogene - Sauerstoff, Wasser

Wasserstoffbrücken

- Hoher Siedepunkt, Schmelzpunkt

=> flüssiges Wasser (Ozeane)

- hohe Wärmekapazität

=> Wetter, Kühlmittel

- Anomalie, hohe Dichte von Eis

=> Seen frieren von oben zu

- Löst polare Verbindungen

=> Anorganik + Biochemie

Die Chalkogene - Sauerstoff, Wasserstoffperoxid

Nicht vergessen: H2O2 = Redoxamphoter

Gewinnung:

Verwendung:

Früher:

Brin‘sches Bariumperoxid Verfahren

Heute:

Antrachinon Verfahren

Produktion:

ca. 2.5 Mio t/a

17

Die Chalkogene - Schwefel, Selen, Tellur (Polonium)

Modifikationen:

Allotropie:

Die Chalkogene - Schwefel, Gewinnung

Frasch-Verfahren: Claus-Prozess (aus fossilen Brennstoffen):

18

Die Chalkogene - Schwefel, Rauchgasentschwefelung

Saurer Regen:

Kalkwäsche von Rauchgasen:

Wellmann-Lord Verfahren:

2

Die Chalkogene - Sulfidische Erze

Pyrit

(FeS)

Kupferkies

(CuFeS2)

Zinkblende

(ZnS)

Bleiglanz

(PbS)

19

Die Chalkogene - Schwefeloxide und -säuren

Schwefelsäure: Kontaktverfahren Thiosulfate

Die Chalkogene - Verwendung

H2SO4

SO2

20

Pnik

ogene

18

17 16 15 14 13

113

Uut

86

Rn

85

At

82

Pb

81

Tl

54

Xe

53

I

50

Sn

49

In

36

Kr

35

Br

34

Se

31

Ga

18

Ar

17

Cl

16

S

15

P

13

Al

10

Ne

9

F

8

O

7

N

6

C

2

He

84

Po

83

Bi

52

Te

51

Sb

33

As

32

Ge

14

Si

5

B

114

Uuq

Gruppe 15

Elektronenkonfiguration: [Edelgas(n-1)] ns2 np3

V.4. Die Pnictogene

atomar elementar

EN

(P

aulin

g)

2.02

2.05

2.18

2.16

3.04

EA

[kJ/m

ol]

91.2

103.2

78

72

7

1. IE

[kJ/m

ol]

703

834

947

1012

1402

Rato

m [p

m]

143

133

114

98

56

Rkoval.

[pm

]

146

138

119

106

75

Fp

.

C]

271.3

630.7

816.9

44.3

-210.0

Sdp. [°

C]

336.9

183.9

58.9

P4, Pn

-188.2

Vork

om

men (R

T)

rb.

Sbn

Asn

P4, Pn

di-

atomar

Rio

n [p

m]

103 +3

76 +3

58 +3

44 +3

146 -3

Die Pnictogene - Vorkommen

Vorkommen Stickstoff

Phosphor

Pentele: gr. πέντε pente = fünf oder Pnictogene = „Erstickende“ von πνίγειν pnigein, „ersticken“

- Atmosphäre: N2 (Volumenanteil 78.09 %),

- Lithosphäre: Nitrate (Chilesalpeter)

- Phosphate: Apatit (--> Knochen)

Arsen, Antimon, Bismut

- ubiquitär im Boden (Arsenate)

- Vergeselschaftet mit Übergangsmetall - Sulfiden (Kupferkies)

- Arsenkiese (Auripigment Au2S3)

21

Die Pnictogene - Eigenschaften

Pentele: gr. πέντε pente = fünf oder Pnictogene = „Erstickende“ von πνίγειν pnigein, „ersticken“

Die Pnictogene - Eigenschaften

Pentele: gr. πέντε pente = fünf oder Pnictogene = „Erstickende“ von πνίγειν pnigein, „ersticken“

22

60 % biologisch (Nitrogenase)

gesamt 180 mio t/a:

- Ackerflächen: 90 mio t/a

- Wälder: 50 mio t/a

- Ozean: 40 mio t/a

15 % UV-licht, Blitze (mio t/a)

30 % industriel (100 mio t/a)

- benötigt 3-4 % der Welt-

energieproduktion

- versorgt 2/3 der Welt-

bevölkerung

300 mio t/a

Industrielle Stickstofffixierung: Haber – Bosch Process

ca. 80 % für Düngemittel

Denitrifizierung

Nitrogenase – Der natürliche Stickstoff-Kreislauf

23

Nitrogenase – Biologische Stickstoffixierung

Wurzelknöllchen von Rhizobium

• Umsatz ca. 180 mio t/a

• gekoppelte H2 Erzeugung

• Unselektiv: acetylen, CN-, N3- als

substrate akzeptiert

• langsam: TOF = 5 s-1 per electron

• Aktives Zentrum: [Fe7S8M]-cluster,

M = Fe, V, Mo

Stickstoff - Salpetersäure

1. Ammoniak-Synthese: Haber Bosch Verfahren

2. Amoniak Verbrennung: Ostwald Verfahren

3. NO-Verbrennung

4. Oxidative Hydrolyse

24

Stickstoff - Stickoxide

Stickstoff - Hydrazin

Raschig-Verfahren

25

Stickstoff - Verwendung I

Elementar

- Schutzgas

- Kühlmittel

Salpetersäure HNO3 (28 Mio t / a)

76 % Ammoniumnitrat

HNO3 + NH3 --> NH4NO3

Dünger, Explosivstoffe

8 % Adipinsäure

4 % Toluoldiisocyanat

Fasern und Kunststoffe

3 % Nitrobenzol

1 % Rohphosphat Aufbereitung

8 % sonst. Anorg. / org. Chemikalien

Stickstoffbasierte Sprengstoffe

Mechanische Arbeit:

Gebäudesprengung

Bergbau, militärisch

Feuerwerkskörper

Stickstoff - Verwendung II

Hydrazin H2N-NH2

Reduktionsmittel:

- Korrosionsschutz

(Heizungen, Dampferzeuger)

N2H4 + O2 --> 2 H2O + N2

H = -623 kJ/mol

- Raketentreibstoffe (meist Me-NH-NH2)

N2H4 + 2 H2O2 --> 4 H2O + N2

Treibmittel:

- geschäumte Kunststoffe

(e.g. Azidocarbonamid)

- explosive: Airbag (NaN3)

Initialzünder (Pb(N3)2)

(Organische) Synthese:

- vielfältig, e.g. Pharmaka

Azide (N3-)

Schwermetallazide sind explosiv!

26

Stickstoff - Verwendung III

Hydroxylamin H2N-OH

Pnictogene - Phosphor

Historie

Herstellung

Entdeckt als 13. Element (H. Brand, 1669)

Leuchtet im Dunklen („Lichtträger“)

Interpretation:

verleit toter Materie Leben

Verwendung des giftigen P4 als

Medizin (bis 1950)

Sicherheitszündhölzer

Reibefläche:

Prot + Glaspulver + Bindemittel

Kopf:

Sb2S3 + KClO3 + Bindemittel

beim Reiben:

12 P + 10 KClO3 --> 3 P4O10 + 10 KCl

beim Abbrennen:

2 Sb2S3 + 15 O2 --> 2 Sb2O3 + 10 SO2

27

Pnictogene - Phosphor

Phosphoroxide

Allotropie

Pnictogene - Phosphoroxide: Hydrolyse

Hydrolyse

35 g ATP im Körper, Umsatz: 75 kg / d ! --> 200 mal rezykliert pro Tag

ADP ATP

Die Energierwärung

der Zelle

28

Pnictogene - Phosphorsäure und Derivate

Chemische Kampfstoffe

Phosphorchloride

Phosphorsulfide

Formeln, Namen und Herstellung von: - Elementen,

- Elementwasserstoffen,

- HNO3, H3PO4

Zusätzlich: - Formeln, Namen der Elementoxide

Verständnis: - Zuordnung der Oxidationszahlen

Speziell: - Abschätzung/Begründung von Reaktivitäten

--> warum ist Fluor so reaktiv, H2O2 und H4N2 explosiv?

--> warum ist N2 -Fixierung so schwierig?

--> Allgemeine Grundlage für Vorkommen (Erze, Erden ...)

Take home message Nichtmetalle

Das sollte beherrscht werden:

Generell: Schwerpunkt auf Verständnis, nicht auf Auswendiglernen von Abläufen

29

Pnik

ogene

18

17 16 15 14 13

113

Uut

86

Rn

85

At

82

Pb

81

Tl

54

Xe

53

I

50

Sn

49

In

36

Kr

35

Br

34

Se

31

Ga

18

Ar

17

Cl

16

S

15

P

13

Al

10

Ne

9

F

8

O

7

N

6

C

2

He

84

Po

83

Bi

52

Te

51

Sb

33

As

32

Ge

14

Si

5

B

114

Uuq

Gruppe 14

Elektronenkonfiguration: [Edelgas(n-1)] ns2 np2

V.5. Tetrele (4. Hauptgruppe)

atomar elementar

EN

(P

aulin

g)

2.33

1.96

2.01

1.90

2.55

EA

[kJ/m

ol]

35

107

119

134

154

1. IE

[kJ/m

ol]

716

707

762

787

1087

Rato

m [p

m]

154

145

125

111

67

Rkoval.

[pm

]

147

141

122

111

77

Fp

.

C]

327

232

938

1410

3527

Sdp. [°

C]

1749

2602

2820

2354

4827

Leitfä

hig

keit 1

/m

5 . 106

9 . 106

1.4

2 . 10-4

1 . 10-9

3 . 106

Vork

om

men (R

T)

-Pb

-Zn

fcc

fcc

Diamant

Graphit

relativ große EA

Pnik

ogene

18

17 16 15 14 13

113

Uut

86

Rn

85

At

82

Pb

81

Tl

54

Xe

53

I

50

Sn

49

In

36

Kr

35

Br

34

Se

31

Ga

18

Ar

17

Cl

16

S

15

P

13

Al

10

Ne

9

F

8

O

7

N

6

C

2

He

84

Po

83

Bi

52

Te

51

Sb

33

As

32

Ge

14

Si

5

B

114

Uuq

Gruppe 14

Elektronenkonfiguration: [Edelgas(n-1)] ns2 np2

V.5. Tetrele (4. Hauptgruppe)

30

Tetrele - Vorkommen

Vorkommen Kohlenstoff

Tetrele = „die vierten“ von tetra „vier“

- Atmosphäre: Volumenanteil 390 ppm; 1.2 . 1011 t (CO2)

- Aquasphäre: 3.8 . 1013 t (Hydrogencarbonate HCO32-)

- Lithosphäre: 0.2 %; 7.5 . 1016 t (Massenanteil; Carbonate CO32-)

Atmosphäre

c t(1/2)

[ppm] [a] [%/]

CO2: 381 100 0.4

CH4: 1.8 12 1.5

CO: 0.2 0.5

FCKW: 10-3 100

Kohlenstoff - Modifikationen

Allotrope Phasendiagramm

31

Kohlenstoff - Modifikationen

Diamant Graphit

Kohlenstoff - Anwendungen

Ruß Graphit

Industriediamanten Diamant-Schichten (CVD)

32

Kohlenstoffoxide

Boudouard-Gleichgewicht --> bei hohen Verbrennungstemperaturen entsteht immer CO

Kohlenstoffoxide

Kohlenmonoxid (CO) Kohlendioxid (CO2)

Herstellung

- unvollständiger Verbrennung

- hohen Verbrennungstemperaturen

- gezielte Herstellung: Wassergas

C + H2O CO + H2

H = +131 kJ/mol

Verwendung

Methanolsynthese

H2 + CO H3C-OH

- Oxo-Prozess

- Fischer-Troppsch Synthese

(2n+1) H2 + n CO CnH(2n+2) + H2O

- Metallurgie (Reduktionsmittel)

Herstellung

- Verbrennungsprozesse

- Kalkbrennen

CaCO3 CaO + CO2

- aus Carbonaten mit Säure

CaCO3 + 2HCl CaCl2 + H2O + CO2

- Gärung (Bier, Wein)

C6H12O6 + H2O 2 C2H5OH + 2 CO2

H = -105 kJ/mol

Verwendung

- Bisher kaum chemisch umsetzbar

(CO2 ist sehr stabil, Hf = - 393.8 kJ/mol

- Photosynthese:

n CO2 + n H2O CnH2nOn + n O2

33

Kohlensäure und Carbonate

Versauerung der Weltmeere

99.8 % 0.2 %

Langsame GG-Einstellung

In biologischen Systemen

Durch Carboanhydrase beschleunigt

Kohlensäure und Carbonate - Wasserhärte

Na5P3O10

34

Kohlenstoff - Anwendungen

Acetylen

Kohlenstoff-Stickstoff Verbindungen

Kohlenstoff - Element des Lebens

1. Elektronenkonfiguration 1s2 2s2 2p2

Kohlenstoff: aufgrund seiner Stellung im PSE prädestiniert zum Bau stabiler, komplexer Strukturen

- Vier Bindungen möglich

2. Element der 2. Periode

- Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen möglich

4. Hydrogencarbonate leicht wasserlöslich; CO2 in Atmosphäre

- sehr gute Verfügbarkeit für Organismen

3. Mittlere Elektronegativität

- Bindungen nur schwach polar --> kinetische Stabilität

- Ausgeglichen Bindungsenergien --> thermodynamische Labilität (keine Senke, e.g. SiO2)

Vergl. : C-H, C-C, C-N, C-O, C-S Si-H, Si-Si, Si-O

413, 347, 307, 358, 289 kJ/mol; 210, 177, 368 kJ/mol

35

Organische Chemie

1. Kohlenwasserstoffe (OZ -4, -3, -2, -1)

Alkane Alkene Alkine Aromaten

2. Alkohole, Amine und Derivate (OZ -3, -2, -1, 0, +1)

3. Aldehyde und Ketone (OZ 0, +1, +2)

Alkohole Polyole Ether Amine

Aldehyde Ketone Imine

4. Carbonsäuren und Derivate (OZ +2, +3)

Carbonsäuren Ester Amide

5. Polymere

Polyolefine Polykondensate Sonstige

6. Biomoleküle

Zucker Fette Eiweiße DNA

Tetrele - Vorkommen

Vorkommen Silicium

Tetrele = „die vierten“ von tetra „vier“

- nach Sauerstoff häufigstes Element der Erdkruste

-stets oxidisch:

Silikate

SiO2

36

Tetrele - elementar

Silicium Germanium Zinn Blei

Silizium - Verwendung

37

Silicium - Herstellung

Herstellung von hochreinem Halbleitersilicium

38

Herstellung von hochreinem Halbleitersilicium

Herstellung von Siliciumeinkristallen

Tiegelziehen

39

Herstellung von Siliciumeinkristallen

Zonenschmelzen

Herstellung von Siliciumeinkristallen

Chemie der IC-Technologie

40

Silikone

Anwendungen

Silikate

Klassifikation der Silikate

41

Silikate

Klassifikation der Silikate

Silikate

Klassifikation der Silikate

42

Silikate

Klassifikation der Silikate

Vom Quarz zum Glas

Flußmittel:

- Schwächung des Netzewerks

- Erweichung bei niedrigeren

Temperaturen

43

Vom Quarz zum Glas

Glasbestandteile

Glasfaser-Lichtleiter