Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 03.07.14

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Die Wasserstoffverbindungen der Halogene

Vortrag von Hanna Neustätter im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 13/14


Gliederung:

1 Herstellung
    
1.1 Wasserstoffchlorid
     1.2 Wasserstofffluorid 

2 Eigenschaften und Verwendung
    2.1 Wasserstoffchlorid
    2.2 Wasserstofffluorid


Einführung: Wenn man auch schon erfahrenen Chemieschülern die Frage stellt, welche Moleküle in einer Flasche mit konzentrierter Salzsäure sind, kommt oft die Antwort "Wasserstoffchloridmoleküle". Doch diese Antwort ist falsch! Welche Moleküle sind noch in der Flasche und warum?
Um die Antwort herauszufinden sehen wir uns die Wasserstoffverbindungen der Halogene an. Die gleiche Frage hätte man auch mit HF, HBr, oder HI stellen können. Darum werden hier nur HCl und HF näher betrachtet.


1 Herstellung

1.1 Wasserstoffchlorid

Chlorwasserstoff wird im Labor aus konzentrierter Schwefelsäure und Kochsalz hergestellt:

NaCl + H2SO4  → HCl + NaHSO4 und
NaCl + NaHSO4→ HCl + Na2SO4

Da Chlorwasserstoff gasförmig ist, wird es ständig dem Gleichgewicht entzogen, welches dadurch nahezu vollständig auf der Seite der Produkte liegt.

Man kann Chlorwasserstoff auch direkt aus Chlor und Wasserstoff herstellen. Doch diese Reaktion verläuft sehr explosiv. Darum  nennt man diese auch Chlorknallgas-Reaktion. Diese Reaktion verläuft über den Mechanismus der radikalischen Kettenreaktion. Diese wird aber in der Industrie nicht gemacht, da sie zu stark exotherm abläuft.

1.2 Wasserstofffluorid

Fluorwasserstoff wird durch die Reaktion seiner Salze, den Fluoriden (z.B. Calciumfluorid), mit konzentrierter Schwefelsäure hergestellt:

CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HF


2 Eigenschaften und Verwendung

2.1 Wasserstoffchlorid

Eigenschaften: Wasserstoffchlorid ist ätzend und in hohen Konzentrationen giftig.

Zwischen den Molekülen wirken van der Waals-Kräfte. Die Bindung ist eine polare Einfachbindung, wie man am Molekülorbital-Schema erkennen kann:

MO HCl
Abb. 1: Molekülorbital-Schema Wasserstoffchlorid
AO = Atomorbital   MO = Molekülorbital   Bindungsordnung = 1

Der Siedepunkt liegt bei -85 °C, daher ist diese Verbindung bei Raumtemperatur nicht flüssig. Da Wasserstoffchlorid an feuchter Luft weißen Nebel bildet, ist es in Wasser gut löslich. Die wässrige Lösung heißt Salzsäure. Auch wenn darauf konzentriert steht, ist Wasser mit enthalten. In konzentrierter Salzsäure ist ein Massenanteil von w~38% Chlorwasserstoff-Gas gelöst. D.h. in einer Flasche mit konzentrierter Salzsäure sind auch Wasser-Moleküle vorhanden.

Verwendung: Wasserstoffchlorid dient in der chemischen Industrie zur Herstellung von Salzsäure und Chloriden. Außerdem wird es zur Herstellung von organischen Verbindungen (z.B. PVC) verwendet. Als Hauptbestandteil der Magensäure ist Wasserstoffchlorid auch in unserem Körper vorhanden. Ein Großteil des von Menschen aufgenommenen Kochsalzes wird im Körper in Salzsäure umgewandelt.

2.2 Wasserstofffluorid

Eigenschaften: Wasserstofffluorid ist bei Raumtemperatur ein stechend riechendes Gas.

Wasserstofffluorid ist geprägt durch die hohe Elektronegativität von Fluor. Bei Raumtemperatur assoziieren die Moleküle über Wasserstoffbrückenbindungen zu (HF)n. Darum liegt der Siedepunkt auch höher als bei Wasserstoffchlorid, nämlich bei 20 °C. Auch der ausgeprägte Dipolcharakter rührt von der Elektronegativität des Fluors.

Die wässrige Lösung heißt Flusssäure (w~40%). Flusssäure und Fluorwasserstoff haben die Eigenschaft Quarz und Glas anzugreifen. Flusssäure kann deshalb nicht in Glasflaschen aufbewahrt werden.

Auch in dieser Verbindung ist die Bindung eine polare Einfachbindung:

MO HF
Abb. 2: Molekülorbital-Schema Wasserstofffluorid
Bindungsordnung = 1

Verwendung: Wasserstofffluorid wird zur Herstellung von organischen Fluorverbindungen verwendet, z.B. Teflon. Außerdem wird es beim Herstellungsprozess von Tensiden und in der Farbstoffchemie eingesetzt. Auch als Katalysator bei der Benzinherstellung und in der Tieftemperaturtechnik spielt Fluorwasserstoff eine Rolle.

Experiment Herstellung Ammoniumchlorid
Material
  • 2 Petrischalen
 
Chemikalien
  • HCl, w~38%
  • NH3, w~25%
Durchführung NH3 in eine Petrischale geben und HCl in die andere. Nebeneinander in den Abzug stellen.
Beobachtung Weißer Rauch entsteht.
Interpretation Aus gasförmigen Wasserstoffchlorid und gasförmigen Ammoniak entsteht Ammoniumchlorid:

HCl (g) + NH3 (g) → NH4Cl (s)

 
Zusammenfassung

In den Chemikalien sind nicht immer nur die Moleküle enthalten, die man auf den ersten Blick vermutet. Auch erfahrene Schüler müssen sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften bewusst machen und sollten erst dann eine Aussage treffen.


Literatur

  1. Erwin Riedel, Christoph Janiak, Anorganische Chemie, de Gruyter, 2011, S. 411ff.
  2. Volker Wiskamp, Anorganische Chemie, Verlag Harri Deutsch, 2010, S.73ff.
  3. Hans Latscha, Helmut Klein, Anorganische Chemie, Springer, 2002, S. 351ff.
  4. http://www.chemie.de/lexikon/Chlorwasserstoff.html, aufgerufen am 16.04.14

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 03.07.14