Halogene

In meiner locken Reihe über Chemie heute wieder ein Blog. Diesmal geht es um eine Gruppe von Elementen mit ähnlichen Eigenschaften. Der Aufbau des Periodensystems ist ja kein zufälliger. Es wurde so gruppiert, weil Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften untereinander stehen. das kann man bei den Gruppen 3-6 schwerer sehen, weil dort der Unterschied zwischen der ersten Periode sehr ausgeprägt ist, aber bei den Alkalielementen (Gruppe I), Erdalkalielemente (Gruppe II), Edelgasen (Gruppe VIII) und eben den Halogenen ist die Ähnlichkeit in der Chemie sehr ausgeprägt.

Zuerst mal zu den physikalischen Eigenschaften wie im Periodensystem allgemein üblich steigen Schmelz- und Siedepunkte mit jeder Periode an. Fluor und Chlor sind bei Normaltemperatur gasförmig. Brom ist flüssig, Iod ist fest, verdampft aber leicht. Charakteristisch für die Halogene sind nur schwache Bindungen unter den Elementen, was diese relativ niedrigen Schmelz- und Siedepunkte erklärt.

Alle Halogene haben sieben Außenelektronen. Sie benötigen also entweder ein Elektron um ihre Schale zu vollenden oder sie müssen sieben Elektronen abgeben. Gegenüber Elementen die keine so hohe Elektronegativität haben, wie Wasserstoff oder Kohlenstoff sind sie einwertig, gegenüber elektronegativen Elementen sind sie bis zu siebenwertig.

Das Fluor ist das elektronegativste Element überhaupt und daher nur einwertig. Alle Halogene haben eine sehr hohe Affinität zu Wasserstoff. Bei Chlor reicht ein Blitzgerät aus um eine Reaktion zu starten, an deren Ende selbst Kohlenwasserstoffe vollkommen chloriert sind. Fluor greift jede organische Substanz an, umgekehrt ist ein total fluorierter Kohlenwasserstoff wie Teflon (Polytetrafluoräthylen) dann äußerst stabil, weil praktisch kein andere Substanz die Bindung wieder spalten kann. Dies kann nur durch hohe Temperaturen erfolgen. Trotzdem sind Teflonbeschichtungen bis 260°C stabil, eine Temperatur bei andere Kunststoffe sich längst zersetzt hätten. Die Reaktionsfähigkeit nimmt ab, wenn man im Periodensystem nach unten geht. Das ist darin begründet, dass immer nur die Außenelektronen reagieren, aber dies immer weiter vom Atomkern entfernt sind. der Atomradius von Fluor beträgt 147 pm, der von Iod 198 pm. Da elektrische Kräfte zwischen dem positiven Atomkern und den negativ geladenen Elektronen wirken und zudem die inneren Elektronen ein Teil der positiven Ladung „abschirmen“ ist so die chemische Reaktionsfähigkeit von Iod kleiner als die von Fluor. Trotzdem ist es noch so reaktiv, dass man es als mildes Desinfektionsmittel heute einsetzt.

Alle Halogene bilden mit Wasserstoff Gase die in Wasser gelöst Säuren ergeben und korrosiv sind, also z.B. Metalle angreifen. Die bekanntesten sind Chlorwasserstoff (wässrige Lösung: Salzsäure) und Fluorwasserstoff (in wässriger Lösung: Flusssäure), die sogar Glas angreift. Mit Sauerstoff bilden alle Halogene Oxide, deren Salze auch wichtige Quellen für die Elemente in der Natur sind. Alle anorganischen Halogenverbindungen sind leicht wasserlöslich, was auch der Grund ist, warum das Meer so salzig ist: Das Natriumchlorid und Kaliumchlorid lösen sich leicht im Wasser. Kalium wird aber von Zeolithen, einer Gesteinsorte recht gut gebunden und so findet man im Meer hauptsächlich Natriumchlorid. Chlorid ist auch eines der häufigsten Elemente, Fluor kommt danach, ist allerdings anders als das Chlor chemisch recht stark gebunden und kommt als Flussspat (Calciumfluorid) vor. Brom und Iod sind recht seltene Elemente. Iod ist Bestandteil der Schilddrüsenhormone Triiodthyronin und Tetraiodthyronin (Tyroxin). Fluor ist Bestandteil des Minerals Calciumapattit, woraus der Zahnschmelz besteht. Metalle werden von den meisten Halogenen angegriffen, wobei allerdings viele Elemente nur an der Oberfläche reagieren und diese Schicht dann das weitere Metall vor Korrosion schützt. In der Natur verbinden sich die meisten Halogene mit den ebenfalls einwertigen Alkalielemente Natrium und vor allem Kalium.

Es gibt in der Natur keine halogenierten organischen Verbindungen. Das verwundert etwas, weil eine Reihe von Ihnen chemisch sehr stabil sind. Teilweise chlorierte organische Verbindungen wurden früher als Lösungsmittel und Kältemittel eingesetzt, stark chlorierte Verbindungen eignen sich als Hydrauliköle oder Schmieröle, die nicht brennen und hochtemperaturstabil sind. Sie sind so stabil, dass sie erst in der Ozonschicht durch UV-Strahlung gespalten werden wobei sie in einer Kettenreaktion die Ozonschicht zerstören. Bromierte und jodierte Verbindungen haben eine Bedeutung in der organischen Chemie als Vorstufen für Syntheseprozesse. Ihre Stabilität ist deutlich geringer als bei den chlorierten Verbindungen.

eine besondere Klasse von Verbindungen sind die polychlorierten Dioxine und Furane. Diese entstehen wie man heute weiß bei vielen Verbrennungsvorgängen in kleiner Menge, unabhängig vom organischen Ausgangsmaterial, so auch bei der Verbrennung von Holz. Sie sind seit dem Chemieunglück von Seveso als Ultragifte bekannt. Das zeigt auch dass chlororganische Verbindungen durchaus stabil sind, denn als Verbrennungsprodukte sind sie energiearme Verbindungen.

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