Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.01.17


Vergleich Nebengruppe I und Nebengruppe II

Vortrag von Achim Falkner WS 09/10 und Stephanie Harfmann WS 2013/14 im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC"


Gliederung:


Einführung: Die Preise für Kupfer sind kräftig angestiegen und rufen Metalldiebe auf den Plan. Auch die Deutsche Bahn bleibt hiervon nicht verschont, denn sie wird oft Opfer von solchen Metalldieben, die sich an den aus Kupfer bestehenden Oberleitungen zu schaffen machen und somit die Stromversorgung der Züge kappen.

Auch werden in der Weihnachtszeit Besuche in den Schmuckgeschäften häufiger. Der Grund: Der sehr beliebte Gold- und Silberschmuck steht ganz oben auf dem Wunschzettel fast jeder Frau. Uninteressanter sind dagegen Geschenke aus anderen Metallen, wie z.B. Zink, Cadmium oder Quecksilber.

Im folgendem Vortrag soll aufgezeigt werden, was die beliebten Metalle der Nebengruppe I von denen der Nebengruppe II unterscheidet.


1 Überblick Nebengruppe I

 

Kupfer (Cu)

Silber (Ag) Gold (Au)
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d10 4s1 [Kr] 4d10 5s1 [Xe] 4f14 5d10 6s1
Elektronegativität 1,7 1,4 1,4
Schmelzpunkt in °C 1083 961 1063
Siedepunkt in °C 2595 2212 2660
Standardpotential in V  Cu+:   + 0,52

Cu2+:  + 0,35

Ag+:  + 0,80 Au+:   +1,69

Au2+:  +1,50

Au3+:  +1,40

Oxidationsstufen +2,+1 +2, +1 +1, +3
Darstellung Rösten, Elektrolytische Raffination Cyanidlaugerei (Feinreinigung analog Kupferraffination) Cyanidlaugerei, Amalgamverfahren
Eigenschaften hohe thermische Leitfähigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, Bestandteil von Legierungen höchste thermische und elektrische Leitfähigkeit, sehr weich, Legierung bei Gebrauch Dehnbar und geschmeidig, chemisch inert
Verwendung Elektroindustrie, Schiffbau, Dachbedeckung, chemischer Apparatebau Schmuck, Münzen, Elektrotechnik Schmuck, Münzen, Zahnersatz

Die Elemente der ersten bzw. elften (nach IUPAC) Nebengruppe bestehen ausschließlich aus Schwermetallen und besitzen voll besetzte d-Orbitale. Die drei Elemente dieser Gruppe zeigen Abweichungen zu den übrigen Elementen der äußeren Nebengruppen. Die Oxidationsstufen nehmen üblicherweise von den leichten bis zu den schweren Elementen der Nebengruppen zu. In der Nebengruppe I nimmt sie erst ab und dann wieder zu. Die Schmelz- und Siedepunkte der schweren Elemente liegen in der Regel immer höher als die der leichteren. Innerhalb der Nebengruppe I sinken sie und nehmen dann wieder zu. Den höchsten Schmelzpunkt hat das leichteste Element. Die Anwendungsgebiete dieser Elemente ähneln sich.

Versuch 1: Bestimmung des edlen Charakters von Metallen

Experiment Lösungstensionsreihe
Material
  • 3 Bechergläser 25mL
  • Sandpapier
  • Tiegelzange
  • Fliese als Unterlage
  • Schutzbrille
  • Labormantel
Chemikalien
  • VE-Wasser
  • 3 Silberblechstreifen, je ca. 0,5*5cm
  • 3 Kupferblechstreifen
  • 3 Zinkstäbchen/Zinkspäne
  • Silbernitratlösung c=0,1mol/L
  • Kupfersulfatlösung c=1mol/L
  • Zinksulfatlösung c=1mol/L
Durchführung Die drei kleinen Bechergläser werden mit den Metallsalzlösungen gefüllt. Die Metallstreifen sollten mit dem Sandpapier gereinigt werden (auf der Fliese, nicht der Tischplatte). Dann gibt man der Reihe nach jedes Metall in die Metallsalzlösung und beobachtet jeweils ca. 2 Minuten.
Beobachtung Silber löst sich in keiner der Lösungen und behält seinen metallischen Glanz; das Kupfer bildet einen Niederschlag und das Zink löst sich auf.
Deutung Das Silber ist im Gegensatz zu Kupfer und Zink am edelsten, es hat nicht das Bestreben in Lösung zu gehen; je unedler ein Metall ist, d.h. je kleiner sein Wert in der elektrochemischen Spannungsreihe ist, desto größer ist sein Bestreben in Lösung zu gehen; demnach hat Silber das größte Standardpotenzial, gefolgt von Kupfer und Zink.

Versuch 2: Bestimmung des edlen Charakters von Metallen

Experiment Ätzversuche mit versch. Metallen
Material
  • Zinkspäne
  • Kupferspäne
  • Silberspäne
  • Goldfolie
  • Reagenzgläser
  • Abzug
  • Brenner
  • Labormantel
  • Schutzbrille
Chemikalien
  • Salzsäure w=32%
  • Salpetersäure w=65%
Durchführung Metallspäne werden auf Reagenzgläser aufgeteilt. Zuerst werden sie mit konzentrierter Salzsäure behandelt. Danach mit Salpetersäure. Um eine träge Reaktion zu beschleunigen wird mit einem Brenner erhitzt.
Beobachtung Es kann ein Reaktionsgefälle festgestellt werden. Zn löst sich in Salzsäure unter Gasentwicklung auf. Cu, Ag und Au lösen sich in Salzsäure selbst nach Erhitzen nicht. Cu löst sich in Salpetersäure. Es entsteht eine bläuliche Lösung. Ag löst sich in Salpetersäure erst nach Erhitzen. Au löst sich nicht.
Gleichungen Zn + 2 HCl  → Zn 2+ + H2+ 2 Cl-

Cu, Ag, Au + HCl  → keine Reaktion

Cu + HNO3  → Cu2+(aq) + H2O + nitrose Gase

Ag + HNO3 + E (Erhitzen mit Brenner)  →
                                                              Ag+(aq) + H2O+ nitrose Gase

Au + HNO3   →  keine Reaktion

Interpretation Metallen kann man bezüglich ihrer Reaktivität gegenüber Säure einen edlen oder unedlen Charakter zuschreiben. Unedle Metall bilden mit oxidierenden wie nicht oxidierenden Säure Wasserstoff und gehen als Ionen in Lösung. Edle Metalle reagieren nur mit oxidierenden Säuren. Je edler, desto träger ist die Reaktion. Wasserstoff entsteht nicht. Sehr edle Metalle reagieren mit oxidierenden Säuren gar nicht (z. B. Au).
Abb. 1: Goldmünzen [5] Abb. 2: Kupferlitze [12]

2 Überblick Nebengruppe II

  Zink (Zn) Cadmium (Cd) Quecksilber (Hg)
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d10 4s2 [Kr] 4d10 5s2 [Xe] 4f14 5d10 6s2
Elektronegativität 1,7 1,5 1,4
Schmelzpunkt in °C 419 321 -39
Siedepunkt in °C 908 767 357
Standardpotential in V Zn2+:   -0,76 Cd2+:  -0,40 Hg2+:   +0,85
Oxidationsstufen +2 +2 +2, +1
Darstellung Thermisch oder elektrolytisch Nebenprodukt Zinkherstellung Rösten von Zinnober (ZnS)
Eigenschaften Bei RT nicht formbar, aktives Element, essentielles Spurenelement für Pflanzen, Tiere und Menschen Toxisch Bei RT flüssig, Dämpfe toxisch, Bildung von Legierungen (Amalgame)
Verwendung Zinkbleche, Trockenbatterien, Automobilindustrie Schutzschicht aus Eisenteilen, Regelstäbe von Kernreaktoren Wissenschaftliche Geräte (Thermometer, Barometer), Quecksilberdampflampen, Extraktionsmittel bei der Goldherstellung, Zahnme-dizin (Amalgamplomben)

Die Elemente der zweiten bzw. zwölften (nach IUPAC) Nebengruppe bestehen ausschließlich aus Schwermetallen und besitzen voll besetzte d-Orbitale. Sie zeigen Abweichungen zu den übrigen Elementen der äußeren Nebengruppen. Bei den Elementen der dritten bis achten Nebengruppe weisen die beiden schweren im Vergleich zum leichteren Element der vierten Periode ähnliche chemische und physikalische Eigenschaften auf. Innerhalb der Nebengruppe II sind sich jedoch Zink und Cadmium ähnlicher als Cadmium und Quecksilber. Die Oxidationsstufen nehmen nicht innerhalb der Gruppe zu und die Schmelz- und Siedepunkte sinken und steigen nicht. Die Anwendungsgebiete der Elemente unterscheiden sich.

Abb. 3: Verzinkte Karosserie [6] Abb. 4: Quecksilberdampflampe [11]
© Prof. Jürgen Plate, Hochschule München

Versuch: Korrosionsschutz durch "Verzinkung"

Experiment Korrosionsschutz
Material
  • zwei Eisenbleche
  • Zinkspray
  • Bechergläser
Chemikalien
  • NaCl
 
Durchführung Die Bechergläser werden mit Wasser gefüllt und man löst eine kleine Menge Salz darin auf (auf genaue Konzentration muss nicht geachtet werden). Eines der beiden Eisenbleche wird zur Hälfte mit Zinkspray bearbeitet.
Beobachtung Nach 20 bis 30 min sieht man Roststellen. Das unbehandelte Blech rostet überall, das behandelte nur auf der Hälfte die nicht mit Zink besprüht wurde.
Gleichungen 2Fe → 2Fe2+ + 4e-

2H2O + O2 + 4e- → 4OH-

Fe2+ + Zn → Fe+ Zn2+
Interpretation Rosten ist eine Redoxreaktion bei der Eisen oxidiert wird. Die Salzionen im Wasser erhöhen die Leitfähigkeit und beschleunigen damit den Vorgang. Eisen ist damit das Reduktionsmittel, Sauerstoff das Oxidationsmittel. Zink ist ebenfalls ein Reduktionsmittel. Seine reduzierende Kraft muss allerdings größer sein, als die des Eisen, da sonst der Rostvorgang durch den Zinkbelag nicht gestört würde.

Innerhalb der elektrochemischen Spannungsreihe lässt sich für Zn ein negativeres Normalpotential ablesen als für Fe zu Fe2+. Daran erkennt man, dass Zink eine stärkere reduktive Wirkung zugeschrieben wird als Eisen. Somit verhindert Zink das Rosten von Eisen indem es eine Schutzsicht bildet. Erst wenn diese aufgelöst ist, rostet das darunter liegende Eisen.


3 Vergleich der Nebengruppen I und II

Die Nebengruppen I und II setzen sich aus Schwermetallen zusammen. Der edle Charakter steigt innerhalb beider Gruppen an. Im gegenseitigen Vergleich wie auch im Vergleich zu den übrigen äußeren Nebengruppen lassen sich bei diesen Elementen schlechter Vorhersagen über chemische und physikalische Eigenschaften treffen, da bestimmte Werte und physikalische Eigenschaften innerhalb der Gruppen stärker variieren als bei anderen Nebengruppen. Die Sonderstellung des Quecksilbers lässt sich über relativistische Effekte und die so genannte Lanthanoidenkontraktion erklären. Die unterschiedlichen stabilsten Oxidationsstufen in wässriger Lösung der NG I lassen sich über unterschiedliche Hydratationsenthalpien erklären und nicht unbedingt aus der Elektronenkonfiguration bzw. der Oktettregel ableiten. Für die NG II existiert nur eine stabilste Oxidationsstufe in wässriger Lösung (für Hg theoretisch 2 stabile). In der praktischen, alltäglichen Verwendung und Anwendung weisen die Elemente der NG I allerdings Ähnlichkeiten auf. Die Elemente der NG II hingegen zeigen ganz unterschiedliche Anwendungsgebiete.


Ausblick: Beim genauen Betrachten des Periodensystems fallen in beiden Gruppen noch zwei Elemente auf. Es handelt sich hierbei um Roentgenium (Rg) und Copernicium (Cp). Diese sind die jüngsten Elemente des PSE, von denen aber noch sehr wenige Eigenschaften bekannt sind. Vermutlich besitzen sie eine metallische, silberne oder graue Farbe und werden vermutlich bei 298 K fest. Würde man Vorhersagen über diese Elemente treffen wollen, müsste man sich eher an den schwersten Elementen der jeweiligen Nebengruppe (Au und Hg) orientieren, denn zuverlässige Trends innerhalb dieser Nebengruppen existieren nicht.


Zusammenfassung: Aus chemischer Sicht zählen Kupfer, Silber und Gold zu den Edelmetallen. Sie zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Kupfer findet aufgrund dieser Eigenschaften oft Verwendung in der Elektroindustrie, wie z.B. als Oberleitungen bei Zügen oder Bestandteil von Kabeln. Gold ist chemisch inert und reagiert nur mit sehr starken Säuren.

Abschluss: Kupfer bietet gerade in der Elektroindustrie eine hervorragende Einsatzmöglichkeit, da jedoch der Preis für Kupfer auf dem Markt steigt, wird dieses Metall auch reizvoller für Diebe.

Gold- und Silberschmuck wird immer beliebter, da diese Metalle eine lange "Lebenszeit" versprechen und auch nach häufigen Tragen ihren charakteristisch metallischen Glanz behalten. Aufgrund von Ängsten einer wiederkehrenden Inflation, bleibt Gold weiterhin bei Anlegern begehrt, denn das Edelmetall gilt als Inflationsschutz in Krisenzeiten.


Literatur:

  1. Ziesche, P. ; Lehmann, G. ; Ergebnisse in der Elektronentheorie der Metalle; Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo; 1983.
  2. Holleman, A.F..; Wiberg, E.: Lehrbuch der anorganischen Chemie; Berlin, New York; 1995.
  3. Häusler, Karl; Pavenzinger, Werner: Unterricht Chemie; Köln; 1993.
  4. Riedel, Erwin: Anorganische Chemie; Berlin, New York; 1999.
  5. http://www.seilnacht.com/Lexikon/79Gold.htm (14.01.2010).
  6. http://www.autosieger.de/images/articles/a-klasse_rohbaukarosserie_3.jpg (09.12.10).
  7. http://www.afterbuy.de/afterbuy/shop/storefront/start.aspx?seite=/afterbuy/shop/storefront/storefront.aspx?jump=2&position=3050&katalogID=497794&shopid=74112 (17.12.2010, nicht mehr verfügbar).
  8. http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/metalle_8_1.html (16.12.2013).
  9. http://www.handelsblatt.com/finanzen/maerkte/devisen-rohstoffe/kupfer-diebstahl-kostbarer-schrott/3542582.html (16.12.2013).
  10. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/standard/
    1003_loesungstensionsreihe.htm (16.12.2013).
  11. http://www.netzmafia.de/skripten/hardware/Licht/ (12.01.2017).
  12. https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Kupferlitze.jpg (17.01.2017).

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 27.01.17