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Halogene - Referat
Halogene
Inhaltsverzeichnis:
1. Einleitung
2. Eigenschaften
3. Vorkommen
4. Verwendung
5. Zusammenfassung
1. Einleitung:
Die Elemente der 7. Hauptgruppe sind reaktionsfreudig und vereinen sich ziemlich leicht mit Metallen zu Salzen. Aufgrund ähnlicher Eigenschaften wurden die 5 Elemente Fluor, Chlor, Brom, Jod und Astat zusammengefaßt zu den Halogenen.
Die Bezeichnung Halogene bedeutet \"Salzbildner\". Sie sind Nichtmetalle. Jodkristalle zeigen schon metallischen Glanz, das nur in Spuren gewinnbare Astat dürfte bereits metallische Eigenschaften besitzen.
Halogene reagieren mit Metallen in exothermen Reaktionen zu Halogeniden.
Mit Ausnahme des Helium, Neon und Argon bilden alle Elemente des Periodensystems Halogenide. Ionische oder kovalente Halogenide gehören zu den wichtigsten Verbindungen. Meist sind sie einfach darzustellen und werden daher vielfach als Ausgangsstoffe für die Synthese anderer Verbindungen eingesetzt.
Der Name \"Fluor\", kommt aus dem Lateinischen und bedeutet \"fließen\". Die Namen der anderen Halogenen kommen aus dem Griechischen.
\"Chlor\" wurde nach der Färbung des Gases benannt (gelbgrün).
\"Brom\" kommt von Gestank. Festes Jod bildet bereits bei Raumtemperatur violette Dämpfe. Daher der Name Jod (violett).
Der Name Astat bedeutet \"instabil\" oder \"unbeständig\".
2. Eigenschaften
Fluor ist ein blaß gelbes, ätzendes Gas mit durchdringendem Geruch. Das Nichtmetall weist die größte Reaktivität und die höchste Elektronegativität aller Elemente auf. Fluor reagiert praktisch mit allen Elemente, außer mit Sauerstoff, Helium, Neon und Krypton. Schon bei Raumtemperatur verlaufen die meisten Reaktionen sehr heftig. Es greift auch zahlreiche andere Verbindungen an und setzt sie zu Fluoriden um. Organische Stoffe entzünden sich dabei häufig und brennen in F2. Die wichtigsten Fluorverbindungen sind neben dem bereits erwähnten Fluorwasserstoff: Fluorwasserstoffsäure, Natriumfluorid und Calciumfluorid. Uranhexafluorid ist in der Kerntechnik von großer Bedeutung.
Chlor ist unter Normalbedingungen ein molekulares, grünliches Gas mit stechendem Geruch. Dieses zweiatomige Gas ist schwerer als Luft. Bei 101°C erstarrt es zum Feststoff, der aus grünlichgelben Kristallen besteht. In Wasser ist es mehr oder weniger gut löslich. Chlor ist eines der reaktivsten Elemente. Mit Ausnahme der Edelgase, sowie Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff geht es mit praktisch allen Elementen Verbindungen ein. Feuchtes Chlor hat eine stark korrodierende Wirkung auf Metalle. Von der Vielzahl der bekannten Chlorverbindungen sollen an dieser Stelle nur folgende genannt werden: Chlorwasserstoff bzw. Salzsäure, die Chloride Natrium- und Kaliumchlorid sowie Salmiak, außerdem die Chlorsauerstoffsäuren Chlorsäure, Perchlorsäure, Chlorige Säure und Hypochloride Säure. Die wichtigsten Chlormineralien und Salze sind Steinsalz, Bischofit, Carnallit und Kainit.
Brom ist eine dunkelrote, beißend riechende Flüssigkeit. Neben Quecksilber ist es das einzige Element, das unter Normalbedingungen flüssig ist. Schon bei Raumtemperatur bildet es in nennenswerten Mengen dunkelrote Dämpfe. Brom ist löslich in Wasser, wobei sogenanntes Borwasser entsteht, und ist gut löslich in vielen organischen Lösungsmitteln wie Ethanol oder Benzol. Brom ist etwas weniger reaktiv als Chlor. Spontan und zum Teil heftig reagiert es mit fast allen Metallen zu den entsprechenden Metallbromiden. Wichtige Bromverbindungen sind Bromwasserstoff und Bromwasserstoffsäure, Bromide sowie 1,2-Dibromethan. Bromdämpfe sind stark giftig. Der MAK-Wert für Bromgas (Br2) liegt in Deutschland bei 0,7 mg/m3.
Jod ist ein grauschwarzer, metallisch glänzender Feststoff, der schuppige Kristalle bildet. Bereits bei Normaltemperatur bildet Jod violette Dämpfe. Obwohl Jod ein Nichtmetall ist, zeigt es doch gewisse metallische Tendenzen, indem es elektrischen Strom leitet. Jod ist weniger reaktiv als die leichteren Halogene und hat eine geringere Elektronegativität als sie. Seine Wasserlöslichkeit ist schwach ausgeprägt. Dagegen löst es sich außerordentlich gut in organischen Lösungsmitteln. Wichtige Verbindungen sind Jodide, Jodwasserstoff, Jodoform. Wegen der Giftigkeit von Jod wurde der MAK-Wert ( Wert für die maximale Konzentration in der Luft ) in Deutschland auch 1 mg/m3 festgelegt.
Astat ist ein radioaktives Halogen, das etwas stärkere metallische Tendenzen hat als Jod. Da im Labor bisher nur extrem geringe Mengen hergestellt wurden und die Zerfallsraten so kurz sind, ist über seine chemischen und physikalischen Eigenschaften nur relativ wenig bekannt.
Aus diesen Gründen wird in dieser Arbeit nicht genäuer darauf eingegangen.
Name Symbol Protonen-zahl Atommasse Dichte [g/cm2] Schmelz-punkt [°C] Atomradius [nm]
Fluor F 9 19,00 1,01 -223 0,06
Chlor Cl 17 35,45 1,06 -102 0,10
Brom Br 35 79,91 3,01 -7 0,11
Jod I 53 126,90 5,00 114 0,13
Astat At 85 210 ? ? 0,14
3.Vorkommen
Die große Reaktionsbereitschaft der Halogene schließt ein elementares Vorkommen in der Natur aus.
Chlor, Brom und Jod sind im Meerwasser gelöst und deshalb auch in Salzlagerstätten enthalten. Ihrem Maßenverhältnis im Meerwasser entsprechend (Chlorid : Bromid : Jodid = 1.000.000:6.000:1) findet man die Bromide und Jodide vor allem in den Abraumsalzen. Sie sind ein Gemisch aus Kalium- und Magnesiumchlorid. Die als Düngemittel verwendet werden.
Fluor ist weitverbreitet, z.B. als Bestandteil des Flußspat (CaF2), Kryolith (Na3AlF6) und Fluorapatit (3Ca3(PO4)2Ca(FCl)2). Nach Chlor ist es das häufigste Element seiner Gruppe. Die Angaben über seinen Anteil am Aufbau der Erdkruste schwanken; er wird üblicherweise mit 0,04 - 0,09 Gewichtsprozenten angegeben. Im Meerwasser liegt die mittlere Konzentration bei 1 - 2 ppm.
Fluor erhält man durch Elektrolyse geschmolzener Fluoride. Geeignete Elektrolysezellen (Fluorzellen) werden aus Stahl, Cu- oder Ni-Cu-Legierungen hergestellt, die sich dann mit einer inerten Schutzschicht aus Fluorid überziehen. Die Kathoden sind aus Stahl oder Cu, die Anoden aus nichtgraphitisiertem Kohlenstoff.
Chlor ist das häufigste Element seiner Gruppe. Sein Anteil am Aufbau der Erdkruste liegt bei 0,19 Gewichtsprozent. Sein Gewichtsanteil im Meerwasser liegt bei 1,9 Prozent, was durch die riesigen Mengen an Natriumchlorid bedingt wird. Man kann davon ausgehen, daß in den Weltmeeren schätzungsweise 40 Bia. Tonnen Natriumchlorid gelöst sind. Natriumchlorid ist somit die am weitesten verbreitete Chlorverbindung.
Brom kommt in der Natur stets gebunden vor. Sein Anteil an der Bildung der Erdkruste wird mit 0,0006 Gewichtsprozent angegeben. Das Element ist weit verbreitet und begleitet Chlor in seinen natürlichen Vorkommen. In Steinsalzlagerstätten finden sich zwischen 0,5 und 5% Brom! Wichtige, aber seltene Brommineralien sind: Bromargyrit, Embolit, Jodembolit, die häufig mit Silbererzen vergesellschaftet sind. Deutlich höhere Werte als auf dem Festland werden im Meerwasser erreicht, wo das Element einen durchschnittlichen Anteil von 0,007% hat. Eine besonders hohe Bromkonzentration mit 5000 ppm weist das Tote Meer auf. Rechnet man diese Konzentration auf den gesamten Wasserkörper dieses Binnenmeers hoch, kommt man auf eine Gesamtmenge an Bromid von ca. einer Milliarde Tonnen.
Der Anteil an Jod, der am Aufbau der Erdkruste beteiligt ist, wird mit 0,00006 Gewichtsprozent angegeben. Trotz dieses geringen Prozentsatzes ist Jod in geringen Spuren praktisch allgegenwärtig. In allen Böden, in Mineralien und Gesteinen, in Gewässern und sogar in der Luft ist es in kleinen Konzentrationen nachweisbar. Die wichtigsten Jodmineralien sind Lautarit und Dietzeit. Früher wurde Jod in nennenswerten Mengen aus Algen gewonnen; heute gewinnt man es fast ausschließlich aus Chilesalpeter, in dem es bis zu 0,4% enthalten ist. Die mittlere Jodkonzentration im Meerwasser liegt bei 60 ppb, ist aber starken Schwankungen unterlegen. Im Wasser von Flüssen liegt der Wert bei ca. 5 ppb und kann in Mineralquellen den ppm-Bereich erreichen.
In der Natur kommt das Element Astat praktisch nicht vor; es ist eines der seltensten Elemente überhaupt. Berechnungen haben ergeben, daß in der Erdkruste nicht mehr als 30 g vorkommen!
4. Verwendung
Die Angaben über die Menge der Weltproduktion von Fluorgas schwanken zwischen 2400 und 12000 Tonnen pro Jahr. Elementares Fluorgas wird zur Herstellung von Uranhexafluorid, Schwefelhexafluorid und Fluoridierungsmitteln verwendet. Es ist in technisch wichtigen organischen Verbindungen und in einigen Polymersorten enthalten. Von großer technischer Bedeutung ist Flußspat (CaF2) als Flußmittel in der Metallurgie (Weltproduktion: 4,7 Mio. Tonnen pro Jahr). Außerdem ist Flußspat Ausgangspunkt bei der Herstellung von Flußsäure und anderen wichtigen Fluorverbindungen.
Es ist essentiell für einige Spezies (auch für den Menschen). Bei Säugetieren verfestigt es die Zahnsubstanz während der Entwicklung und vermindert den Kariesbefall. Aus diesem Grund wird in einigen Länder (so zum Beispiel in der Schweiz und der ehemaligen DDR) das Wasser fluoridiert. Üblicherweise wird es in Form von NaF, HF oder Na2SiF6 in geringen Konzentrationen beigemischt. Im Körper eines Erwachsenen mit einem Durchschnittsgewicht von 70 kg findet man ca. 2,5 g Fluor in gebundener Form. Viele Fluorverbindungen sind stark giftig. Fluorgas (F2) führt bereits in geringen Konzentrationen zu Reizungen der Atemwege und Verätzungen der Haut. Aus diesem Grunde wurde in Deutschland im Arbeitsschutz ein Grenzwert von 0,1 ppm (MAK-Wert) festgelegt. Fluoridhaltige Gase und Stäube werden vor allem in der Baustoffindustrie, bei der Herstellung von Zement, Ziegeln und Keramik, freigesetzt. Wegen der Schadwirkung für Land- und Forstwirtschaft wurden die Immißionsgrenzwerte entsprechend der TA Luft für anorganische Fluorverbindungen bei 1 µg/m3 festgelegt.
Chlor ist einer der wichtigsten Grundstoffe der gegenwärtigen Großchemie und in seinen zahlreichen Verbindungen allgegenwärtig. Jährlich werden weltweit ca. 30 Mio. Tonnen Chlorgas hergestellt. Die größten Produzenten sind die Vereinigten Staaten, Japan, Deutschland, die GUS und Frankreich. Allein in der Bundesrepublik werden jährlich ca. 3 Mio. Tonnen hergestellt. Die Einsatzbereiche sind außerordentlich vielfältig. Aufgrund der antibakteriellen Wirkung von Chlorgas wird es unter anderen zur Desinfektion von Trinkwasser und Schwimmbecken verwendet. Der größte Teil wird allerdings sofort zu den unterschiedlichsten anorganischen und organischen Verbindungen weiterverarbeitet. Wichtiger Ausgangspunkt vieler Synthesen von chlorhaltigen Verbindungen ist Chlorwasserstoff, das ursprünglich als störendes Nebenprodukt bei der Herstellung von Natronlauge anfiel, für das man Anwendungen schaffen mußte. Chlor wird beispielsweise weiterverarbeitet zu Bleichmitteln für Papier. Es ist enthalten in Pestiziden, Lösungs- und Flammschutzmitteln sowie Farben. Ein großer Teil wird für Herstellung von Kunststoffpolymeren eingesetzt. Der bekannteste chlorhaltige Kunststoff ist PVC (Polyvinylchlorid), der wegen des Dioxinproblems nach Bränden ins Kreuzfeuer der Kritik geraten ist.
Chlor ist für viele Organismen und den Menschen essentiell. Es spielt eine zentrale Rolle bei der Erregungsleitung in den Nerven. So verwundert es nicht, daß die höchsten Chlorkonzentrationen im Körper in den Muskeln zu finden sind. Im Körper eines Erwachsenen mit einem Durchschnittsgewicht von 70 kg findet man knapp 100 g Chlor. Obwohl Chlor als Chlorid weitgehend untoxisch ist, ist es als Gas giftig: In geringen Konzentrationen reizt es die Schleimhäute und greift die Atemwege an. Ab 10 ppm kommt es bereits zu schweren Lungenschäden. Bei 100 ppm wirkt es tödlich. Wegen der Giftigkeit von Chlorgas wurde in Deutschland für den Arbeitsschutz ein Grenzwert von 1,5 mg/m3 bzw. 0,5 ml/m3 festgelegt. Im Ersten Weltkrieg wurde Chlorgas zeitweise als Kampfgas eingesetzt. Auch die Chlorverbindung Phosgen (COCl2) ist ein berüchtigter Kampfstoff.
Die Weltproduktion an Bromid liegt jährlich zwischen 330.000 und 550.000 Tonnen. Brom und seine Verbindungen werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt. Der bei weitem größte Anteil von Brom wird für die Herstellung von Dibromethan verwendet, der in Vergaserkraftstoffen als Antiklopfmittel dient. Bromverbindungen werden zu Begasungsmitteln für Konservierungszwecken, zu Insektiziden und zu Flammschutzmitteln verarbeitet. Außerdem findet es in Arzneimitteln, der Fotografie und in Farbstoffen Verwendung.
Brom ist wahrscheinlich essentiell für Rotalgen und es ist ein Pigment der Purpurschnecke. Auch für den Menschen ist es vermutlich lebensnotwendig. Die Konzentration im Blut liegt bei 5 - 10 mg pro Liter. Die Gesamtmenge des Elements in einer Person mit dem Durchschnittsgewicht von 70 kg liegt bei 260 mg. Die toxische Dosis wird mit 3 g und die letale mit mehr als 35 g angegeben. Der Geruch elementaren Broms wird von Menschen als sehr unangenehm empfunden. Auf der Haut ruft es Verätzungen hervor.
Die Weltproduktion an Jod liegt jährlich zwischen 12.000 – 15.000 Tonnen. Jod und seine Verbindungen haben deutliche geringe Bedeutung als die vorhergehenden Halogene. Es wird in der chemischen Industrie als Katalysator bzw. Stabilisator in Bereichen wie der Erstellung von Farben, Gummi und Kunststoffen eingesetzt. Als Silberjodid wird es in der Fotografie verwendet. Es wird zur Herstellung pharmazeutischer Präparate und von Zusätzen in Futtermitteln benutzt. Außerdem dient es in Form von Jodtinktur als Antiseptikum und Desinfektionsmittel. Das Element ist auch in Halogenlampen enthalten, die dadurch sehr hell brennen.
Jod ist in geringen Mengen für viele biologische Arten essentiell. Bei einigen Braunalgen beträgt der Anreicherungsgrad bis zu 0,45% des Gewichts der Trockenmaße, so daß sich eine industrielle Gewinnung zeitweise lohnte. Hohe Konzentrationen findet man außerdem in Muscheln, Schwämmen, Korallen und Meeresfischen. Auch für den Menschen und alle Säugetiere ist es lebensnotwendig und wird als Jodid aufgenommen. Der Tagesbedarf für den Menschen liegt bei 0,1 - 0,2 mg. Die toxische Dosis ist 2 mg und Mengen zwischen 35 - 350 g wirken tödlich. Bei Jodmangel kann es zu einer Unterfunktion der Schilddrüse und Kropfbildung führen. In einer Person mit einem Durchschnittsgewicht von 70 kg findet man Konzentration von 12 bis 20 mg. In Dampfform reizt Jod Haut, Augen und Schleimhäute.
Irgendeine technische Bedeutung hat Astat angesichts seiner Seltenheit und Kurzlebigkeit nicht erreicht.
5. Zusammenfassung:
Die Bezeichnung Halogene bedeutet \"Salzbildner\". Sie sind Nichtmetalle.
Die Elemente der 7. Hauptgruppe sind reaktionsfreudig und vereinen sich ziemlich leicht mit Metallen zu Salzen. Daher findet man Halogene in der Natur nie elementar. Aufgrund ähnlicher Eigenschaften wurden die 5 Elemente Fluor, Chlor, Brom, Jod und Astat zusammengefaßt zu den Halogenen.
Die Halogenverbindungen sind sehr vielseitig und werden daher in allen möglichen Gebieten eingesetzt. So z.B. verwendet man Jod in Halogenlampen, in der Fotografie, und in Farben. Für den Menschen ist es sogar lebenswichtig. Bei Jodmangel kann es zu einer Unterfunktion der Schilddrüse und Kropfbildung führen.
Chlor verwendet man zur Kunststoffherstellung (z.B. PVC), zur Desinfizierung von Wasser. Im ersten Weltkrieg wurde Chlorgas eingesetzt, da es giftig ist und die Schleimhäute reizt. Zuviel Chlor kann schwere Lungenschäden hervorrufen. Aber trotzdem wird es vom menschlichen Körper verwendet.
Brom findet man in Kraftstoffen, Insektiziden und zu Flammschutzmitteln.
Fluorverbindungen spielen eine große Rolle in der Zahntechnik. Bei der Herstellung von Zement, Ziegeln und Keramik werden fluoridhaltige Gase und Stäube frei, die stark giftig sind.
Halogene sind einerseits lebenswichtig, andererseits können sie sehr gefährlich sein.
Gerade deshalb finde ich diese Elemente sehr interessant.
Kommentare zum Referat Halogene:
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