Elemente des Periodensystems
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<strong>Elemente</strong> <strong>des</strong> <strong>Periodensystems</strong><br />
Natürliche Häufigkeit der <strong>Elemente</strong><br />
1
Der Wasserstoff<br />
• Vorkommen<br />
• Eigenschaften<br />
• Gewinnung<br />
• Verwendung<br />
• Verbindungen<br />
2
Vorkommen<br />
Interstellare Wasserstoffwolken<br />
Orion-Nebel<br />
…und auf der Erde<br />
3
Eigenschaften<br />
4
Ein Element – verschiedene Bindungstypen<br />
im Inneren <strong>des</strong> Jupiter<br />
(90 % H 2<br />
, 10 % He)<br />
T = 20 000 K<br />
p > 4 Mio bar<br />
5
Darstellung im Labor<br />
Herstellung im Labor im Kipp´schen Apparat<br />
6
Technische Verfahren zur H 2 -Gewinnung<br />
Ca. 90 % <strong>des</strong> Wasserstoffs werden aus fossilen Energieträgern gewonnen<br />
Kohlevergasung (Wassergas, Synthesegas)<br />
Basis für die Synthese organischer<br />
Chemikalien (z. B. Methanol, Alkane, Alkene)<br />
Kohlenoxid-Konvertierung oder Wassergas-Shift-Reaktion<br />
(an Co 3<br />
O 4<br />
-Kat. bei 450°C)<br />
liefert<br />
Energie<br />
7
Elektrolyse von Wasser<br />
Das lohnt sich nur bei günstig verfügbarer Elektroenergie.<br />
8
Wasserstofftechnologie der Zukunft<br />
9
Reaktionen<br />
Knallgas-Reaktion<br />
ΔH = - 572 kJ/mol<br />
H 2<br />
ist bei Raumtemperatur reaktionsträge.<br />
Reaktion durch Zündung initiiert.<br />
eine Kettenreaktion die zur Explosion führt<br />
1986:<br />
Challenger-Katastrophe<br />
10
Verwendung als Brenngas<br />
11
Wasserstoffverbindungen<br />
Ionische Hydride (1. und 2. Hauptgruppe)<br />
Kovalente Wasserstoffverbindungen (3. – 7. Hauptgruppe)<br />
mehr oder weniger polar<br />
HF<br />
Metallische Hydride (Einlagerungsverbindungen)<br />
meist nicht stöchiometrisch<br />
12
Industrielle Verwendung von Wasserstoff<br />
13
Wasserstoff – Energieträger der Zukunft<br />
Funktionsprinzip einer PEM-Brennstoffzelle<br />
Anode H 2<br />
• 2 H + + 2 e -<br />
Katode O 2<br />
+ 2 e - • O 2-<br />
2 H + + O 2- • H 2<br />
O<br />
Elektrolyt<br />
Protonenaustauscher-Membran<br />
Proton Exchange Membrane (PEM)<br />
14
Zusammenfassung - Wasserstoff<br />
• Leichtestes Gas mit niedrigem Siede- und Schmelzpunkt<br />
• Technische Gewinnung durch Steam-Reforming aus CH 4 oder Koks<br />
und Wasserdampf<br />
• Darstellung im Labor durch Reaktion unedler Metalle mit Säuren<br />
oder Wasser<br />
• Hohe Bindungsenergie der H-H-Bindung erfordert meist höhere<br />
Reaktionstemperaturen<br />
• Mit <strong>Elemente</strong>n der 1. und 2. HG bilden sich salzartige Hydride mit<br />
dem H - Anion<br />
• H 2 reagiert mit vielen Nichtmetallen zu Molekülen mit (polar)<br />
kovalenten Bindungen, in denen H partiell positiv geladen ist<br />
• H 2 kann viele Metalloxide zum Metall reduzieren<br />
• H 2 wird als Brennstoff und in vielen chemischen Synthesen<br />
gebraucht<br />
15
Weitere <strong>Elemente</strong> der 1. Hauptgruppe (Alkalimetalle)<br />
„al-qary“ (arabisch)<br />
Look! He´s positive...<br />
Somebody stole his<br />
electron<br />
= salzhaltige Asche<br />
Help!!! There<br />
is water in<br />
here!<br />
Help!!! He is<br />
stealing my<br />
electron<br />
• Eigenschaften<br />
• Vorkommen<br />
• Gewinnung<br />
• Verwendung<br />
• Wichtige<br />
Verbindungen<br />
16
Eigenschaften der <strong>Elemente</strong><br />
• weiche Metalle geringer Dichte (Li, Na und K schwimmen auf<br />
dem Wasser)<br />
• mit dem Messer schneidbar<br />
Natrium<br />
Kalium<br />
17
Eigenschaften der <strong>Elemente</strong><br />
Heftige Reaktion mit Wasser<br />
M + H 2 O • MOH + ½ H 2 M • M + + e - H + + e - • ½H 2<br />
Reaktion mit den meisten Nichtmetallen<br />
z. B. Halogene, Sauerstoff, Wasserstoff<br />
Ionischer Charakter, großer Radius, geringe Ladungsdichte<br />
•immer als M + -Kationen auf, Bildung leicht löslicher, farbloser Salze<br />
•Stabilisierung großer, niedrig geladener Anionen (z. B. HCO 3- , O 2- )<br />
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Natürliche Vorkommen<br />
LiAl[Si 2 O 6 ]<br />
Spodumen<br />
NaCl<br />
(Steinsalz, Halit)<br />
NaAl[Si 3 O 8 ]<br />
(Natronfeldspat, Albit)<br />
Na 2 CO 3<br />
.<br />
10 H 2 O (Soda) NaNO 3 (Chlilesalpeter) Na 3 AlF 6 (Kryolith)<br />
KCl (Sylvin)<br />
KAl[Si 3 O 8 ] (Kalifeldspat)<br />
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Gewinnung der Alkalimetalle - Alkalichloridelektrolyse<br />
Smp. . 580 °C<br />
Kathode:<br />
Anode:<br />
Na + + e - • Na (flüssig)<br />
2Cl -<br />
• Cl 2<br />
(gasf.) + 2 e -<br />
20
Verwendung der Alkalimetalle<br />
Natrium<br />
‣ Synthese einer Vielzahl von Natriumverbindungen<br />
z. B. Na 2 O 2 , NaNH 2 ,NaH, NaCN<br />
‣ Als Reduktionsmittel zur Gewinnung von Metallen, z. B. von Titan<br />
‣ Trockenmittel für organische Lösungsmittel<br />
‣ Na-Dampflampen<br />
Kalium, Lithium<br />
‣ Synthese von Li- und K-organischen<br />
Verbindungen<br />
‣ K- und Na-Legierungen als Kühlmittel in<br />
Kernreaktoren<br />
21
Hydoxide MOH<br />
• sind von allen Hydroxiden die stärksten Basen<br />
• sehr hygroskopische weiße Feststoffe, zerfließen beim<br />
Stehen an Luft<br />
• extrem ätzend („Ätznatron, Ätzkali“, OH - reagiert mit<br />
Proteinen der Haut, NaOH als Abflußreiniger)<br />
• NaOH für anorganische, KOH für organische Synthesen (löst<br />
sich besser in organischen Lösungsmitteln<br />
• reagieren mit CO 2 zu Hydrogencarbonaten<br />
NaOH<br />
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