Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 30.03.16


Oxide der Übergangsmetalle

Vortrag von Tamara Sohr im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 09/10


Gliederung:

1 Was sind Übergangsmetalle?

2 Welche Oxide der Übergangsmetalle gibt es?
   2.1 D-Block Elemente
   2.2 F- Block Elemente

3 Verwendung in der Industrie
   3.1 Als Farbpigment
   3.2 Als Katalysator
   3.3 Herstellen von elementaren Stoffen

Zusammenfassung

4 Literatur


Einleitung

Es sollen zwei einfache, kurze Experimente miteinander verglichen werden, um eine Gemeinsamkeit zwischen beiden zu entdecken. Zuerst wird etwas Stahlwolle entzündet. Die Wolle färbt sich von metallisch glänzend zu grau-schwarz um.

Tab. 1: Versuchsbeschreibung zu Versuch "Verbrennen von Stahlwolle"

   Verbrennen von Stahlwolle  
Zeitbedarf  3 Minuten
Ziel Verbrennungsvorgang und Massebeteiligung, Oxidation, Reaktion, Synthese, Formeln
Material
  • Balkenwaage
  • Gewichte
  • Pinzette
  • feuerfeste Unterlage
  • Draht
  • Feuerzeug
Chemikalien
  • Stahlwolle
Durchführung Ein etwa faustgroßes Stück feine Stahlwolle wird locker gezupft und als Bausch mit Hilfe des Drahtes über der einen Waagschale aufgehängt, die Schale selber durch Unterlegen von Alu-Folie schützen (sie dient auch dem  Auffangen von herunter fallenden Eisentröpfchen). Dann wird die Waage mit den Gewichten austariert bis zum Nullpunkt. Nun zündet man die Stahlwolle mit dem Feuerzeug an.
Beobachtung Die Stahlwolle wird durch das Verbrennen schwerer.
Deutung 2 Fe + O2 --> 2 FeO (!,grau)
Entsorgung Hausmüll
Quelle

Original: EYDAM-Chemie, Praktikum Chemischer Demonstrationen, 1968

http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/
standard/0414_stahlwolle.htm

Anschließend wird einen Geldschein unter UV- Licht gehalten, wobei dieser an bestimmten Stellen auffällig rot und grün zu leuchten.

Tab. 2: Versuchsbeschreibung zu Versuch "Geldschein unter UV-Lampe"

  Geldschein unter UV-Lampe  
Zeitbedarf  3 Minuten
Ziel Fluoreszenz, Übergangsmetalloxid-Nachweis
Material
  • UV-Lampe
  • Kamera/Flex-Cam
  • Geldschein
  • Beamer
Durchführung Der Geldschein wird unter die UV-Lampe gelegt. Dabei muss darauf geachtet werden, dass andere fluoreszierende Gegenstände (helle Kleidung, Blätter usw.) nicht in unmittelbarer Nähe der Lampe liegen. Fluoreszierende Gegenstände wegräumen oder abdecken.

Flex-Cam oder Kamera einstellen, den Raum abdunkeln und Raumlicht ausschalten. Anschließend die UV-Lampe einschalten.

Beobachtung Die Sicherheitselemente auf dem Geldschein leuchten  auffällig in grün und rot.
Deutung Die auf den Geldschein aufgebrachten Übergangsoxide wirken unter UV-Licht fluoreszierend.
Entsorgung  -

Augenscheinlich haben diese beiden Experimente nichts gemeinsam. Dennoch haben beide Dinge, die verbrannte Stahlwolle als auch der Geldschein, eine Gemeinsamkeit: Auf beiden Gegenständen befinden sich Übergangsmetalloxide.

Beim Verbrennen der Stahlwolle bildete sich Eisenoxid. Auf dem Geldschein werden unter anderem Europiumoxide aufgebracht, die unter UV-Licht-Einstrahlung rot leuchten.


1 Was sind Übergangsmetalle?

Aufgrund der Tatsache, dass sowohl das graue Eisenoxide, als auch das rot leuchtende Europiumoxid zu den Übergangsmetalloxiden zählt, kommt die Frage auf: Was sind Übergangsmetalloxide?

Die Übergangsmetalle umfassen insgesamt 68 Elemente. Diese Elemente stehen in den Nebengruppe 3-12, sowie den Gruppen der Lanthanoide und der Actinoide. Insgesamt teilt man die Übergangsmetalle in die Gruppen der äußeren Übergangsmetalle und der inneren Übergangsmetalle. Die äußeren Übergangsmetalle sind die Elemente des D-Blocks, also diese der Nebengruppen 3-12. Die Gemeinsamkeit dieser Gruppenelemente besteht darin, dass bei ihnen die d-Orbitale befüllt werden. Deshalb nennt man diese Elemente D-Block-Elemente. Anders verhält es sich bei den so genannten innere Übergangsmetallen. Sie  werden die Elemente des F-Blocks genannt, weil bei ihnen die f-Orbitale besetze werden. Die Elemente des f-Blocks findet man in den Untergruppen der Lanthanoide und Actinoide.


Abb. 1: Übersicht aller Übergansmetalle

Die Abbildung verdeutlicht die Stellung der Übergangsmetalle im Periodensystem. Man erkennt, dass die äußeren Übergangsmetalle zu den d-Block-Elementen, sowie die inneren Übergansmetalle zu den f-Block-Elementen gezählt werden.


2 Welche Oxide der Übergangsmetalle gibt es?

Nicht nur bei der Benennung der Übergangsmetalle kann an zwischen den inneren und äußeren Übergangsmetallen unterscheiden. Auch die Eigenschaften der Oxiden teilen sich danach auf. Somit ist eine Einteilung in D-Block Elemente und F-Block Elemente möglich und sinnvoll. Dabei sind die Eigenschaften der D-Block Elemente innerhalb der Periode unterschiedlich, wohingegen die F-Block Elemente annähernd gleiche Eigenschaften innerhalb der Gruppe aufweisen.

2.1 D-Block Elemente

  • Anzahl von Oxidationszustände steigt bis zu den Elementen Ruthenium bzw. Osmium (+VIII) an, dann sinken die Oxidationszustände wieder ab. 
  • Elemente in niedrigen Oxidationsstufen bilden fast ausschließlich einfache Ionen 
  • In den höheren Oxidationsstufen wandeln sich die ionischen Bindungen in kovalente Bindungen. Somit sind die elektronegativen Elemente kovalent an die Übergangsmetalle gebunden 
  • Oxidationsstufen der Übergangsmetalle werden entlang der Periode immer weniger stabil
  • Elemente in höheren Oxidationsstufen sind gute Oxidationsmittel, Übergangsmetallelemente mit niedrigen Oxidationsstufen sind gute Reduktionsmittel. 
  • Die (2+)-Ionen die am Anfang der Periode stehen starke Reduktionsmittel, welche immer stabiler werden.
  • Die (3+)-Ionen beginnen als stabile Ionen und werden immer bessere Oxidationsmittel.

2.2 F–Block Elemente

  • F-Block Elemente sind sich untereinander viel ähnlicher als D-Block Elemente, innerhalb der Periode gibt es kaum Veränderungen.
  • Diese Elemente reagieren bevorzugt in Oxidationsstufe +III.

3 Verwendung in der Industrie

Übergansmetalle haben die verschiedensten Verwendungsmöglichkeiten. Gerade die F-Block Elemente werden in der Industrie vielfältig eingesetzt und bieten eine riesiges Forschungsfeld. Man versucht gegenwärtig die unterschiedlichsten Katalysatoren auf Übergangsmetallbasis herzustellen, sowie komplexchemischen Verbindungen zu erstellen. Des weitern gibt es heutzutage einen riesigen Markt, der Übergangsoxide in den verschiedensten Produkten verwendet. Vor allem Pigmente, die in der Lackindustrie verwendet werden bestehen aus Übergangsmetalloxiden. Diese Produkte sind ein Hauptexportgut Deutschlands.

3.1 Übergangsmetalloxide als Farbpigmente

Viele Übergangsmetalloxide bilden farbige Komplexe, die als Pigmente in Farben verwendet werden können. Diese Komplexe sind besonders für Lacke und Wandfarben sehr beliebt. Sie sind sehr Lichtresistent, d. h. sie bleichen unter UV-Einstrahlung wenig aus. Vor allem Oxide der inneren Übergansmetalloxide sind für die Industrie interessant, da sie fluoreszierende Verbindungen bilden.

Farbpigment Titan(IV)-oxid: Dieses Pigment trägt die Verhältnisformel TiO2 . Das Titan(IV)-oxid bildet ein weißes Pigment. Es wird in der Farbindustrie zur Herstellung von weißer Farbe verwendet.

Fluoreszierendes Farbpigmente z.B. Europium(III)-oxid: Das rot leuchtende Europium(III)-oxid wird vor allem auf Geldscheinen als Sicherheitsfarbe verarbeitet. Es trägt die Verhältnisformel Eu2O3. Unter UV-Licht leuchten die Europiumoxide auf den Geldscheinen rot und Galliumoxide in grün.

 
Abb. 2 :
Übergangsmetalloxide leuchten unter UV-Licht [9]

Farbpigment Quecksilber(II)-oxid: Dieses Pigment trägt die Verhältnisformel HgO.  Je nach Oxidationsturfe des Quecksilbers werden rote oder gelbe Komplexe gebildet, woraus gleichfarbiges Pulver gemacht werden kann. Früher wurden diese Pulver in der Farbindustrie verwendet als rote und gelbe Farbpigmente in Wandfarben und Lacken. Die beiden Komplexe sind schwer wasserlöslich, giftig und schmecken süßlich. Heute dürfen diese Farben aufgrund der Toxizität bei verschlucken nur noch für den Außenbereich verwendet werden.

Rostschutzfarbe Blei(IV)-oxid: Das rotes Pigment mit der Verhältnisformel  Pb3O4 fand man früher unter dem Namen "Blei-" oder "Pariser Rot" in den Regalen. Es wurde in Wandfarben und Lacken verwendet. Heute wird es vor allem als Rostschutzfarbe verarbeitet.

3.2  Übergangsmetalloxide als Katalysator

Cer(IV)-oxid: Dieser Komplex mit der Verhältnisformel CeO2 wird heutzutage in Autokatalysatoren verbaut. Er arbeitet unter Sauerstoffmangel noch effektiver und beschleunigt dabei die Umwandlung von CO zu CO2.

3.3 Herstellung von elementaren Stoffen

Natürlicher Weise kommen die meisten Metalle nicht als reines Metall, sondern als Oxide vor. Die Oxide werden abgebaut, verarbeitet und veredelt. Somit kann man aus ihnen die Reihmetalle gewinnen. Ein sehr bekanntes Beispiel ist die Gewinnung von Titan aus Feldspart.

Weiter Beispiele von Übergansmetalloxiden, die zum Reinmetall verarbeitet werden:

  • Titan
  • Quecksilber
  • Wolfram
  • Molybdän
  • Eisen.

Zusammenfassung

  • Es gibt insgesamt 68 Übergangsmetalle
  • Sie können eingeteilt werden in innere (D-Block) und äußere (F-Block) Übergangsmetalle
  • Die Oxideigenschaften sind abhängig davon, ob es sich um ein D-Block Element oder ein F-Block Element handelt
  • Vielfältige Anwendung in der Industrie von Oxiden – besonders häufig als Farbpigmente, Katalysatoren und zur Herstellung von elementaren Stoffen

4 Literatur:

  1. E. Riedel: Anorganische Chemie, 6. Auflage, de Gruyter-Verlag, Berlin 2004
  2. C. E Mortimer: Chemie, 6. Auflage, Thieme-Verlag, Stuttgart 1996
  3. A. Holleman, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, de Gruyter-Verlag, Berlin 1995
  4. R. Kempe: Modul Anorganische und Analytische Chemie I
  5. J. Senker, B. Wrackmeyer: Modul Anorganische Chemie II
  6. J. Breu, B. Wrackmeyer : Modul Anorganische Chemie/Komplexchemie III
  7. http://www.pse118-online.de/Zusatzinfos/Z04-4-Info_f-Block.htm, 11.10.2011
  8. http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_hgo.htm, 11.10.2011
  9. http://www.helles-koepfchen.de/artikel/1045.html, 11.10.2011 (Copyright: Cosmos Media UG)

Didaktik der Chemie

top

Universität Bayreuth

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 30.03.16