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Transkript Verhalten der Oxide der Hauptgruppenelemente

Hallo liebe Freundinnen und Freunde der Chemie! Schön, dass ihr mich weiter begleitet auf meiner Reise durch das Periodensystem der Elemente. Wir befinden uns bereits in der 15. Folge. Heute werden wir uns mit einer Problematik befassen, die ganz, ganz wichtig für die chemische Anwendung ist. Das Periodensystem der Hauptgruppenelemente steht bereit. Die Edelgase, Hauptgruppe 8, fehlen. Warum? Ist klar, weil sie keine chemischen Verbindungen eingehen. Wir werden uns heute damit befassen, wie sich die Oxide der chemischen Elemente verhalten. Damit meine ich nicht gut oder schlecht, annehmbar oder nicht gesellschaftsfähig, damit meine ich, wie sie im Wasser reagieren. Als Erstes betrachten wir das Verhalten in den Perioden und stellvertretend für alle Perioden soll hier die 2. Periode herhalten. Das Ergebnis, was wir erzielen werden, ist verallgemeinerungsfähig. Wir betrachten nun das Oxid des Natriums - Natriumoxid. Wenn Natriumoxid, Na2O, mit Wasser reagiert, so bildet sich die Verbindung NaOH - Natriumhydroxid. Bei Natriumhydroxid handelt es sich um eine starke Base. Das Verhalten des Oxids ist demzufolge im Wasser stark basisch. Wir gehen weiter nach rechts. Dort steht das chemische Element Magnesium. Magnesiumoxid, MgO, liefert mit Wasser die Verbindung Mg(OH)2 - Magnesiumhydroxid. Bei Magnesiumhydroxid handelt es sich um eine Base, die ungleich schwächer ist als die Base Natriumhydroxid. Wir gehen weiter nach rechts und stoßen auf das chemische Element Aluminium. Aluminiumoxid und Wasser bilden die Verbindung Aluminiumhydroxid. Ich gleiche noch aus, damit Ordnung ist, und wir können das Verhalten von Aluminiumhydroxid abschätzen. Aluminiumhydroxid ist schwach, schwach basisch. Wir notieren die Ergebnisse in dem Stückchen des Periodensystems der Elemente, das wir ausgewählt haben. Wir schreiben für Natrium 3 blaue Kreuze (+++), das bedeutet, dass das Oxid im Wasser stark basisch reagiert. Für Magnesium schreiben wir 2 Kreuze (++), das bedeutet, dass das Oxid im Wasser basisch reagiert. Und für Aluminium schreiben wir 1 Kreuz (+), das bedeutet, dass das Oxid im Wasser schwach basisch reagiert. Wir machen weiter mit unserer Betrachtung mit dem chemischen Element Silicium. Siliciumdioxid reagiert mit Wasser zu der Verbindung H4SiO4. Hierbei handelt es sich um Orthokieselsäure. Wie der Name schon sagt, handelt es sich hier um eine Säure, und zwar um eine schwache Säure. Wir notieren somit: schwach sauer. Weiter nach rechts stoßen wir auf das chemische Element Phosphor. Phosphoroxid reagiert mit Wasser, wobei sich Orthophosphorsäure bildet, H3PO4. Phosphorsäure ist stärker als Kieselsäure, aber trotzdem nur eine mittelstarke Säure. Ich schreibe daher auf: mäßig sauer. Und weiter geht es auf unserem Weg nach rechts - Schwefel. Schwefeltrioxid reagiert mit Wasser unter der Bildung von Schwefelsäure. SO3+H2O--H2SO4. Über die Stärke von Schwefelsäure können die meisten von euch selbst urteilen. Es handelt sich hier um eine starke Säure. Ich notiere demzufolge: stark sauer. Als letztes in der 2. Periode steht das chemische Element Chlor. Das entsprechende Chloroxid mit der Wertigkeit 7 reagiert mit Wasser zu Perchlorsäure. Bei Perchlorsäure handelt es sich um eine sehr starke Säure, um eine Supersäure. Der Name stammt nicht von mir. Er wurde von Conant und Hall im Jahre 1927 geprägt. Für unsere Elemente notieren wir: Silicium 1 rotes Kreuz, Phosphor 2 rote Kreuze, Schwefel 3 rote Kreuze und Chlor 4 rote Kreuze. Das bedeutet, dass das saure Verhalten vom Silicium zum Chlor stetig ansteigt. Man kann diesen Sachverhalt auch durch ein langes Dreieck darstellen. Dort, wo das Dreieck breit ist, ist das basische Verhalten sehr hoch. Dort, wo es spitz ist, zeigt das Oxid im Wasser kein basisches Verhalten. Und umgekehrt, durch das rote Dreieck wird dokumentiert, dort wo das rote Dreieck am breitesten ist, zeigen die Oxide das stärkste saure Verhalten. Dort, wo das Dreieck spitz ist, gibt es praktisch kein saures Verhalten des Oxids. Genießen wir noch dieses Zwischenbild für einige Sekunden und treiben unsere Forschungen weiter. Nachdem wir uns mit einer Periode auseinandergesetzt haben, möchte ich jetzt mit euch eine Hauptgruppe untersuchen, und zwar nehme ich dafür, richtig, die 4. Hauptgruppe. Sie erhält die chemischen Elemente: Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Wir beginnen mit dem Oxid des Kohlenstoffs. Einige von euch wissen sicher bereits, dass Kohlenstoffdioxid mit Wasser Kohlensäure ergibt: CO2+H2O?H2CO3. Kohlensäure ist eine schwache Säure. Wir notieren daher: schwach sauer. Silicium: SiO2+H2O--H4SiO4. Es bildet sich Orthokieselsäure. Diese Säure ist eine ganz schwache Säure. Ich notiere also für das Oxid des Siliciums: ganz schwach sauer. Germanium - Germaniumoxid und Wasser ergeben eine Verbindung der Formel H4GeO4. Diese chemische Verbindung ist praktisch neutral, also weder Säure noch Base. Zinn: SnO2+2H2O4--H4SnO4. Diese Verbindung ist schwach basisch. Und schließlich Blei: PbO2+2H2O--Pb(OH)4. Auch hier haben wir es wieder mit einer schwach basischen Verbindung zu tun. Sie ist vielleicht eine Idee stärker als die Verbindung des Zinns. Ich notiere somit: schwach basisch. Ich möchte an dieser Stelle betonen, dass die Unterschiede in den Hauptgruppen viel geringer sind als die Unterschiede in den Perioden. Und vor allem, was die letzten drei Elemente betrifft, sind die Unterschiede vor allem für die präperative Anwendung ganz, ganz gering. Deswegen sind diese Aussagen natürlich zu relativieren. Das lange blaue Dreieck bedeutet, dass die basischen Eigenschaften der Oxide der Elemente innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten zunehmen. Umgekehrt können wir formulieren, dass die sauren Eigenschaften der Oxide der Elemente innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten abnehmen. Etwas kürzer und lakonischer gefasst, wenn auch nicht so umfassend, können wir 2 wichtige Merksätze notieren, und die könnt ihr euch wirklich merken: Die Oxide der Nichtmetalle bilden mit Wasser Säuren. Und der 2. Merksatz: Die Oxide der Metalle bilden mit Wasser Basen. Die Aussagen über die eine Periode und die eine Hauptgruppe sind für das gesamte Periodensystem verallgemeinerungsfähig. Und hier haben wir wieder unser Periodensystem der Hauptgruppen in alter Schönheit, außer der Edelgase. Erinnert euch an dieses blaue Dreieck links unten. Es kennzeichnet in etwa die Lage der Metalle. Die Metalloxide bilden im Wasser Basen. Wo das rote Dreieck ist, dort haben wir im wesentlichen Nichtmetalle. Ihre Oxide bilden im Wasser Säuren. Oder anders formuliert, schaut nach links - innerhalb einer Hauptgruppe nehmen die basischen Eigenschaften der Oxide der Elemente von oben nach unten zu. Schaut nach rechts - innerhalb einer Hauptgruppe nehmen die sauren Eigenschaften der Oxide der Elemente von oben nach unten ab. Innerhalb der Perioden nehmen die basischen Eigenschaften der Oxide von links nach rechts ab und die sauren Eigenschaften zu. Uff - ich hoffe, ich habe euch nicht völlig die Lust an der Chemie verdorben. Für heute soll's gut sein! Macht's gut - tschüss!

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13 Kommentare
  1. 001

    Ich muss offen gestehen, dass ich dieses kryptische Rätsel nicht zu entschlüsseln vermag.

    Alles Gute

    Von André Otto, vor 4 Monaten
  2. Default

    also ich würde sagen h2o zu oh tnf5 erh5 ds85

    Von Vivi Lange, vor 4 Monaten
  3. Default

    Danke für das super interessante Video !!!

    Von Aniikii, vor 12 Monaten
  4. 001

    Sehr schön. Nur eines muss man sich vor Augen halten: Soooo viel geht in der Theorie gar nicht. Das, was in der Chemie häufig als "Theorie" bezeichnet wird, ist meist die Interpretation eines einzigen Parameters ohne Berücksichtigung der übrigen. Kein Wunder, dass man dann zu dubiosen Ergebnissen gelangt.

    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  5. Ich2

    Nachtrag: Muss natürlich OH- heißen.

    Von Dflow, vor mehr als 4 Jahren
  1. Ich2

    ... dem H2O entreißen und OH+ bilden. Ich hab nochmal nachgeschaut Oxidionen sind nur in Schmelzen und Salzen existent.
    Ich merke in der Theorie geht vieles^^ Obs tatsächlich so abläuft ist ein anderes paar Schuhe.

    Von Dflow, vor mehr als 4 Jahren
  2. Ich2

    Ok, tatsächlich, ich hätte mir nur das Löslichkeitsprodukt von Al2O3 in H2O anschauen müssen. Da in einem alten Schulbuch von Oxid-Ionen gesprochen wurde ging ich davon aus, dass Metalloxide diese in H20 freigeben und diese wiederrum Protonen dem H

    Von Dflow, vor mehr als 4 Jahren
  3. 001

    Die dargestellte Reaktion ist eine starke Vereinfachung. Direkt reagiert Al2O3 tatsächlich nicht mit Wasser. Die Dissoziation in Al3+ und O2- erfolgt nicht, da das Aluminiumoxidgitter viel zu stabil dafür ist. O2- in Lösung gibt es überhaupt nicht, nur OH-.
    Merksätze wie der genannte dienen der Orientierung und nicht um Gedankenbeweise zu führen. Die Chemie ist keine Mathematik.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  4. Ich2

    Ok, das mit dem KOH und NaOH hab ich verstanden
    Was ich nicht verstehe:
    Sie schreiben Al2O3 reagiert mit Wasser überhaupt nicht.
    Im Video geben Sie aber genau diese Reaktionsgleichung an:
    Al2O3 + 3H2O ---> 2Al(OH)3
    Ich bin nun ein wenig verwirrt was nun zutrifft, tendiere aber dazu, dass Al2O3 zumindest teilweise dissoziiert in AL 3+ Ionen und O 2- Ionen. Die O 2- Ionen wiederrum entreißen jeweils einem H20 ein Proton und bilden OH- Ionen. Oder etwa nicht?
    Allgemein heist es doch Metalloxid + H20 ---> Base!?!
    mfg

    Von Dflow, vor mehr als 4 Jahren
  5. 001

    Hallo,
    K2O und Na2O geben in Wasser KOH und NaOH. Die Basizitäten beider Verbindungen (Fähigkeit der Reaktion mit einem Proton)kann man nur unterscheiden, wenn die Verbindungen mit schwachen Säuren wie zum Beispiel einem Alkohol reagieren. Dieser Prozess ist nicht trivial.
    In Wasser kann man keinen Unterschied in der Stärke zwischen NaOH und KOH feststellen. Man benötigt dafür ein anderes Lösungsmittel, in dem die Verbindungen nur teilweise dissoziieren.
    Es gibt Experimente in der Gasphase, bei denen man die Protonierungsenergie beider Verbindungen bestimmt. Dann sieht man den Unterschied ebenfalls.
    Na2O reagiert mit Wasser zu NaOH. Al2O3 reagiert mit Wasser überhaupt nicht. Es ist neutral. Die Edelsteine Rubin und Saphir bestehen fast ausschließlich aus Al2O3.
    Will man allerdings vergleichen, welche Base stärker ist, so muss man die Dissoziationen von NaOH und Al(OH)3 miteinander vergleichen.
    NaOH ---> Na+ + OH-
    Al(OH)3 ---> Al(OH)2+ + OH-
    Im ersten Fall ist die Elektronegativitätsdifferen zwischen Na und O hoch (über 2,5). Im zweiten Fall ((Al und O) ist die Differenz niedriger (2,0). Außerdem ist Al(OH)3 größer. Die Elektronen werden stärker delokalisiert und das Molekül ist spaltungsbeständiger.
    Außerdem wird Na+ durch die Wassermoleküle viel besser hydratisiert als Al(OH)2+. Daher bildet es sich auch viel besser.
    Die Frage, wie stark eine Verbindung dissoziiert, ist, so gestellt, sehr komplex. Hauptfaktoren sind:
    1. Gitterenergie
    2. Sovatationsenergie
    3. Bindungsenergie an der Bruchstelle

    Alles Gute
    André

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  6. Ich2

    Warum ergibt K2O in H2O gelöst eine stärkere Base als Na2O?
    Ist somit auch KOH in H2O eine stärkere Base als NaOH in H2O?
    Beide Hydroxide dissoziieren doch nahezu vollständig und stöchiometrisch besitzen beide Verbindungen auch die gleiche Anzahl OH-.
    Und warum ist Na2O in H2O stark basisch und Al2O3 nur schwach basisch? Dissoziiert das Al(OH)3 nur teilweise wodurch sich eine geringere OH- Konz. in Lsg. ergibt.
    Wovon hängt es allg. ab wie stark eine Verbindung in H2O dissoziiert?
    mfg

    Von Dflow, vor mehr als 4 Jahren
  7. 001

    Liebe(r) Smiley97,

    zunächst einmal vielen Dank für die aufmerksame und kluge Reaktion.

    Die anderen Elemente: Phosphorsäure H3PO4, Schwefelsäure H2SO4 und HClO4 sind stabil und in Flaschen abfüllbar.
    Das Silicium: H4SiO4 heißt Orthokieselsäure. Sie ist nicht sehr stabil. Zwei Moleküle bilden unter Wasserabspaltung ein größeres Molekül. Ich habe diese Verbindung aufgenommen, damit wir eine Aussage über die betrachtete Periode machen können. Die von dir betrachtete Säure H3SiO3 heißt Metakieselsäure. Eigentlich ist das aber ein Polymer. Daher habe ich diese Säure nicht ausgewählt. Du kannst das aber natürlich gerne tun und H3SiO3 schreiben. Ich wollte das Video einfach darstellen und trotzdem bei der Wahrheit bleiben. Wie man sieht, gestaltet sich das mitunter schwierig.

    Übrigens: Phosphorsäure (genauer Orthophosphorsäure) hat die Formel H3PO4, Salpetersäure, deren Element Stickstoff zur gleichen Hauptgruppe wie Phosphor gehört, hat die Formel HNO3 Das Phosphor-Atom ist größer als das Stickstoff-Atom. Es kann mehr Bindungen eingehen. Das kann man am PSE ablesen. Phosphor liegt eine Periode unter dem Stickstoff (eine Elektronenschale mehr). Daher ist das Phosphor-Atom größer als das Stickstoff-Atom.

    Ich hoffe, dass ich keine Verwirrung gestiftet habe.

    Liebe Grüße

    André

    Von André Otto, vor etwa 5 Jahren
  8. Default

    Ab Silicium kommt etwas vor, das ich nicht verstehe: Warum ZWEI Wassermoleküle? Ich hätte z. B. einfach geschrieben: Si o2 plus H2 O wird zu H2 Si O2ebenso bei den folgenden 'Elementen.

    Von Smiley97, vor etwa 5 Jahren
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