Anorganische Chemie

Die Stellung von Wasserstoff im PSE ist nicht ganz eindeutig. Als s1-Element zeigt er sehr große Unterschiede zu den Alkalielementen.

Diese Elemente der 1. Hauptgruppe heißen Alkalimetalle. Sie haben alle ein Elektron mehr als das im PSE vorangehende Edelgas. Dieses Valenzelektron wird besonders leicht abgegeben (geringe Ionisierungsenergie), wobei positiv einwertige Ionen entstehen.

Die Erdalkalimetalle bilden die II. Hauptgruppe des PSE. Sie enthalten zwei locker gebundene Valenzelektronen, nach deren Abgabe sie die Elektronenkonfiguration des jeweils davor stehenden Edelgases haben.

Die Elemente der Borgruppe bilden die III. Hauptgruppe des PSE. Sie haben die Valenzelektronenkonfiguration n s2p1 und können somit maximal drei Elektronen abgeben bzw. zur Bindungsbildung benutzen.

Die Elemente dieser Gruppe bilden die IV. Hauptgruppe. Sie stehen von beiden Seiten des PSE gleich weit entfernt. Die Stabilität der maximalen Oxidationsstufe +4 nimmt innerhalb der Gruppe von oben nach unten ab. C, Si, Ge und Sn haben in ihren natürlich vorkommenden Verbindungen die Oxidationsstufe +4, Pb die Oxidationsstufe +2. Während Sn(II)-Ionen reduzierend wirken, sind Pb(IV)-Verbindungen Oxidationsmittel, wie z.B. PbO₂.

Die Elemente dieser Gruppe bilden die V. Hauptgruppe des PSE. Sie haben alle die Elektronenkonfiguration s2p3 und können durch Aufnahme von drei Elektronen ein Oktett erreichen. Sie erhalten damit formal die Oxidationsstufe −3. Beispiele: NH₃, PH₃,AsH₃, SbH ₃ ,BiH₃. Die Elemente können auch bis zu 5 Valenzelektronen abgeben. Ihre Oxidationszahlen können demnach Werte von −3 bis +5 annehmen. Die Stabilität der höchsten Oxidationsstufe nimmt in der Gruppe von oben nach unten ab. Bi₂O₅ ist im Gegensatz zu P₄O₁₀ ein starkes Oxidationsmittel. H₃PO₃ ist im Vergleich zu Bi(OH)₃ ein starkes Reduktionsmittel.

Die Elemente der VI. Hauptgruppe heißen Chalkogene (Erzbildner). Sie haben alle in ihrer Valenzschale die Elektronenkonfiguration s2p4. Aus Tabelle 30 geht hervor, dass der Atomradius vom Sauerstoff zum Schwefel sprunghaft ansteigt, während die Unterschiede zwischen den nachfolgenden Elementen geringer sind. Sauerstoff ist nach Fluor das elektronegativste Element. In seinen Verbindungen hat Sauerstoff mit zwei Ausnahmen die Oxidationszahl −2. Ausnahmen: Positive Oxidationszahlen hat Sauerstoff in den Sauerstoff-Fluoriden und im O₂+ (Dioxigenyl-Kation) im O₂[PtF₆]; in Peroxiden wie H₂O₂ hat Sauerstoff die Oxidationszahl −1. Für Sauerstoff gilt die Oktettregel streng. Die anderen Chalkogene kommen in den Oxidationsstufen −2 bis +6 vor. Bei ihnen wird die Beteiligung von d-Orbitalen bei der Bindungsbildung diskutiert.

Die Halogene (Salzbildner) bilden die VII. Hauptgruppe des PSE. Alle Elemente haben ein Elektron weniger als das jeweils folgende Edelgas. Um die Edelgaskonfiguration zu erreichen, versuchen die Halogenatome ein Elektron aufzunehmen. Erfolgt die Übernahme vollständig, dann entstehen die Halogenid-Ionen F, Cl-, Br-, I-. Sie können aber auch in einer Elektronenpaarbindung einen mehr oder weniger großen Anteil an einem Elektron erhalten, das von einem Bindungspartner stammt. Aus diesem Grunde bilden alle Halogene zweiatomige Moleküle und sind Nichtmetalle: $$\left| {\overline {\underline F } \cdot + {e^ - } \to } \right|{\overline {\underline F } ^ - }$$ z.B. Na+F-; F2. $$\left| {\overline {\underline F } \cdot + \cdot \overline {\underline F } } \right| \to \left| {\overline {\underline F } - \overline {\underline F } } \right|,{F_2}$$ Der Nichtmetallcharakter nimmt vom Fluor zum Astat hin ab. At ist radioaktiv; stabilstes Isotop ist 210At mit t_½ = 8,3 h.

Die Edelgase bilden die VIII. bzw. 0. Hauptgruppe des Periodensystems (PSE). Sie haben eine abgeschlossene Elektronenschale (= Edelgaskonfiguration): Helium hat s2-Konfiguration, alle anderen haben eine s2p6-Konfiguration. Aus diesem Grund liegen sie als einatomige Gase vor und sind sehr reaktionsträge. Zwischen den Atomen wirken nur van der Waals-Kräfte, s. S. 105.

Einige Metalle kommen in elementarem Zustand (= gediegen) vor: Au, Ag, Pt, Hg. Siehe Cyanidlaugerei für Ag, Au.

Die Elemente dieser Gruppe sind edle Metalle und werden vielfach als Münzmetalle bezeichnet. Edel bedeutet: Sie sind wenig reaktionsfreudig, denn die Valenzelektronen sind fest an den Atomrumpf gebunden. Der edle Charakter nimmt vom Kupfer zum Gold hin zu. In nicht oxidierenden Säuren sind sie unlöslich. Kupfer löst sich in HNO₃ und H₂SO₄, Silber in HNO₃, Gold in Königswasser (HC1: HNO₃ = 3: 1).

Zn und Cd haben in ihren Verbindungen — unter normalen Bedingungen — die Oxidationszahl +2. Hg kann positiv ein-und zweiwertig sein. Im Unterschied zu den Erdalkalimetallen sind die s-Elektronen fester an den Kern gebunden. Die Metalle der II. Nebengruppe sind daher edler als die Metalle der II. Hauptgruppe. Die Elemente bilden Verbindungen mit z.T. sehr starkem kovalenten Bindungscharakter, z.B. Alkylverbindungen wie Zn(CH₃)₂. Sie zeigen eine große Neigung zur Komplexbildung: Hg2+>> Cd2+ > Zn2+. An feuchter Luft überziehen sich die Metalle mit einer dünnen Oxid-bzw. Hydroxidschicht, die vor weiterem Angriff schützt (Passivierung). Hg hat ein positives Normalpotential es lässt sich daher schwerer oxidieren und löst sich — im Gegensatz zu Zn und Cd — nur in oxidierenden Säuren. Hg bildet mit den meisten Metallen Legierungen, die sog. Amalgame

Die dl-Elemente sind typische Metalle, ziemlich weich, silbrig-glänzend und sehr reaktionsfähig. Sie haben in allen Verbindungen die Oxidationsstufe +3. Ihre Verbindungen zeigen große Ähnlichkeit mit denen der Lanthanoiden. Sc, Y und La werden daher häufig zusammen mit den Lanthanoiden als Metalle der „Seltenen Erden“ bezeichnet. Die Abtrennung von Sc und Y von Lanthan und den Lanthanoiden gelingt mit Ionenaustauschern. Y, La finden Verwendung z.B. in der Elektronik und Reaktortechnik.

Titan ist mit etwa 0,5% Massenanteil an der Lithosphäre beteiligt. Die Elemente überziehen sich an der Luft mit einer schützenden Oxidschicht. Die Lanthanoidenkontraktion ist dafür verantwortlich, dass Zirkon und Hafnium praktisch gleiche Atom- und Ionenradien haben und sich somit in ihren chemischen Eigenschaften kaum unterscheiden. Hf kommt immer zusammen mit Zr vor. Bei allen Elementen ist die Oxidationsstufe +4 die beständigste.

Die Elemente sind typische Metalle. V₂O₅ ist amphoter, Ta₂O₅ sauer. Die Tendenz, in niederen Oxidationsstufen aufzutreten, nimmt mit steigender Ordnungszahl ab. So sind Vanadin(V)-Verbindungen im Gegensatz zu Tantal(V)-Verbindungen leicht zu V(III)- und V(II)-Verbindungen reduzierbar.

Die Elemente dieser Gruppe sind hochschmelzende Schwermetalle. Chrom weicht etwas stärker von den beiden anderen Elementen ab. Die Stabilität der höchsten Oxidationsstufe nimmt innerhalb der Gruppe von oben nach unten zu. Die bevorzugte Oxidationsstufe ist bei Chrom +3, bei Molybdän und Wolfram +6.

Von den Elementen der VII. Nebengruppe besitzt nur Mangan Bedeutung. Rhenium ist sehr selten und Technetium wird künstlich hergestellt. Die Elemente können in ihren Verbindungen verschiedene Oxidationszahlen annehmen. Während Mn in der Oxidationsstufe +2 am stabilsten ist, sind Re2+- und Tc2+-Ionen nahezu unbekannt. Mn(VII)-Verbindungen sind starke Oxidationsmittel. Re(VII)- und Tc(VII)-Verbindungen sind dagegen sehr stabil.

Diese Nebengruppe enthält neun Elemente mit unterschiedlicher Elektronenzahl im d-Niveau. Die sog. Eisenmetalle Fe, Co, Ni sind untereinander chemisch sehr ähnlich. Sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften recht erheblich von den sog. Platinmetallen, welche ihrerseits wieder in Paare aufgetrennt werden können.

Die Chemie der 14 auf das La folgenden Elemente ist der des La sehr ähnlich, daher auch die Bezeichnung Lanthanoide (früher Lanthanide). Der ältere Name “Seltene Erden” ist irreführend, da die Elemente weit verbreitet sind. Sie kommen meist jedoch nur in geringer Konzentration vor. Alle Lanthanoide bilden stabile M(III)-Verbindungen, deren Metall-Ionenradien mit zunehmender Ordnungszahl infolge der Lanthanoidenkontraktion abnehmen (s. S. 377).

Th, Pa und U kommen natürlich vor, alle anderen Elemente werden durch Kernreaktionen gewonnen. Im Gegensatz zu den Lanthanoiden treten sie in mehreren Oxidationsstufen auf und bilden zahlreiche Komplexverbindungen, zum Teil mit KZ 8.