Chalkogene

Die Chalkogene bilden die 6. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Zu den Chalkogenen gehören die Elemente Sauerstoff (O), Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te) und Polonium (Po). Die Gruppe ist auch bekannt als die Sauerstoffgruppe, benannt nach dem ersten Element in der Gruppe.

Chalkogene – Eigenschaften und Vorkommen

Die Chalkogene sind nach neuer IUPAC Nummerierung die Gruppe 16 im Periodensystem. Alle Chalkogene besitzen sechs Valenzelektronen. Damit fehlen diesen Elementen also zwei Elektronen zum Erreichen der Edelgaskonfiguration. Die Chalkogene Sauerstoff und Schwefel sind Nichtmetalle. Selen hat sowohl eine nicht-metallische als auch halbmetallische Modifikation, während das Chalkogen Tellur zu den Halbmetallen gehört. Das Chalkogen Polonium ist ein radioaktives Metall.

Namensherkunft der Chalkogene

Das Wort Chalkogen kommt von den altgriechischen Wörtern chalkós (Erz) und gennáo (erzeugen) und bedeutet wörtlich übersetzt Erzbildner. Diese Benennung ist darauf zurückzuführen, dass Chalkogene in der Natur meistens als Erze oder Minerale vorkommen.

Allgemeine Trends bei den Chalkogenen

Bei den Chalkogenen nehmen der Schmelzpunkt und Siedepunkt mit steigender Ordnungszahl bis Tellur zu und von Tellur zu Polonium ab. So hat das Chalkogen Sauerstoff den niedrigsten Schmelz- und Siedepunkt, während das Chalkogen Tellur den höchsten Schmelz- und Siedepunkt in der Gruppe hat. Dahingegen nehmen die Atomradien und Ionenradien in der Gruppe der Chalkogene ohne Abweichungen zu. Damit haben Sauerstoffatome den kleinsten und Poloniumatome den größten Radius.

Die Ionisierungsenergie und Elektronegativität der Chalkogene

Die Ionisierungsenergie sowie die Elektronegativität nehmen in der Gruppe der Chalkogene ab. Sauerstoff ist dabei das zweit-elektronegativste Element im Periodensystem nach dem Halogen Fluor und daher ist die Bindungen der meisten Element-Oxide ionisch.

Überblick über die Eigenschaften der Chalkogene

Sauerstoff

Das Chalkogen Sauerstoff ist das häufigste Element der Erde. Selbst der menschliche Körper besteht zu über 60% aus gebundenem Sauerstoff. In der Natur kommt es sowohl elementar als Homodimer ( ) in der Luft und in Gewässern, als auch gebunden als Bestandteil von Mineralen wie Silicaten, Carbonaten und Oxiden vor. Es existiert in zwei allotropen Formen: als das paramagnetische -Molekül und als metastabiles reaktives Ozon () . Unter den Chalkogenen ist Sauerstoff das einzige Element, das unter Normalbedingungen gasförmig vorliegt. Die anderen Chalkogene kommen als Feststoffe vor.

Beispiele für die Verwendung von Sauerstoff

• Als Atmungsgas in der Medizin, Luft-und Raumfahrt und für Taucher
• Zur Herstellung von Roheisen und Stahl
• Bei der Kupfer-Raffination
• Zink-Luft-Batterien
• industrielle Verbrennungs- und Oxidationsprozesse (z.B. zur Herstellung von Salpetersäure, Essigsäure, Acetylen)
• als Raketentreibstoff zusammen mit Wasserstoff

Schwefel

Wie Sauerstoff kommt das Chalkogen Schwefel in der Natur auch elementar und gebunden in Mineralen vor. Schwefel hat eine große Bandbreite an Oxidationsstufen, die von -2 (Sulfide) bis +6 (Sulfate) reicht. Dieses Chalkogen neigt dazu, Ketten und Ringe auszubilden. So kommt elementarer Schwefel beispielsweise als Cyclooctaschwefel (-Ring) vor.

Elementarer Schwefel

Beim elementaren Schwefel handelt es sich um einen gelben Feststoff. Das Chalkogen Schwefel ist ein reaktionsfreudiges Element, welches mit vielen Metallen, Halb- und Nichtmetallen bei erhöhter Temperatur reagiert. In der Industrie hat das Chalkogen Schwefel, vor allem als Schwefelsäure, eine große Bedeutung.

Beispiele für die Verwendung von Schwefel

• Schwefel wird in der Industrie verwendet, um Schwefelsäure, Farbstoffe, Kunstdünger und Pestizide herzustellen
• Ebenso setzt man Schwefel zur Vulkanisation von Kautschuk ein
• Schwefel wird als Legierungselement in der Stahlherstellung eingesetzt
• zum Schwefeln von Lebensmitteln (Konservierungsmethode)
• in Natrium- Schwefel -Akkus

Selen

Das Chalkogen Selen kommt in der Natur vor allem gebunden in Erzen von Schwefel wie Zinkblende und Pyrit vor. Seltener kommt es als reine Erzverbindungen wie Clausthalit () oder elementar vor. Selen hat sowohl eine rote Nichtmetall-, als auch graue Halbmetall-Modifikation. Daneben kann es auch als amorphes schwarzes Selen vorkommen. Die stabilste Oxidationsstufe des Selens ist +4.

Selen als Spurenelement

Für den Menschen ist das Chalkogen Selen ein essenzielles Spurenelement. Allerdings ist der Grad zur toxischen Konzentration sehr schmal und so kann es sehr schnell zu einer Selenvergiftung (Selenose) kommen.

Beispiele für die Verwendung von Selen

• zur Herstellung von roten Pigmenten für die Glasindustrie
• in Photozellen
• Als Nahrungsergänzungsmittel und Futterzusatz
• in der Halbleiterherstellung

Tellur

Beim Chalkogen Tellur handelt es sich um ein silberweißes, metallisch glänzendes Halbmetall. Es kommt in der Natur sehr selten elementar vor, bildet aber eigene Minerale wie Telluride (z.B. Calaverit ) oder Telluroxide. Das Chalkogen Tellur ist ein Halbmetall und hat eine richtungsabhängige Wärme- und elektrische Leitfähigkeit. Kristallines Tellur ist spröde. Elementarer Tellur ist als gesundheitsschädlich eingestuft, wobei leichtlösliche Tellurverbindungen giftig sind.

• technisch weniger bedeutsam, da die Gewinnung teuer ist
• Zusatz für Stahl und für Kupfer-Legierungen (<1%)
• Als Cadmiumtellurid in Dünnschicht-Solarzellen
• Tellursalze teilweise für grüne Farbe in Feuerwerken

Polonium

Das von Marie Curie entdeckte Chalkogen Polonium ist ein radioaktives, silbrig glänzendes Metall. Aufgrund seiner Radioaktivität leuchtet es im Dunkeln hellblau. Polonium ist ein radioaktives Zerfallsprodukt, dass zum Beispiel beim Zerfall von Pechblende () entsteht (0,03 Gramm pro 1000 Tonnen Pechblende). Es gibt verschiedene Polonium-Isotope, die alle eine verschiedene Halbwertszeit besitzen. Das Isotop ist dabei das häufigste, natürlich vorkommende. Bei diesem handelt es sich um eine Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von ca. 138,4 Tagen.

Beispiele für die Verwendung von Polonium

• Als Alphastrahler in der Forschung
• In Satelliten als Wärmequelle
• Zum statischen Entladen von Oberflächen

Darstellung der Chalkogene

Sauerstoff

Technisch wird das Chalkogen Sauerstoff durch das Linde-Verfahren und anschließender fraktionierten Destillation aus der Luft gewonnen. In kleineren Mengen wird es kostspielig durch die Elektrolyse von Wasser erhalten. Das kannst du in der Zusammenfassung zur Knallgasprobe nachlesen.

Im Labor kann man Sauerstoff durch thermische Zersetzung von Sauerstoff-Verbindungen gewinnen (z.B. Erhitzen von Silberoxid, Peroxiden, Nitraten oder Chloraten).

Der Joule-Thomson-Effekt

Wird Luft verdichtet, erwärmt es sich. Wenn man den Druck dann senkt, kühlt die Luft ab. Dieser Effekt der Temperaturänderung über Druckminderung wird Joule-Thomson-Effekt genannt und beim Linde-Verfahren zur Verflüssigung der Luft eingesetzt.

Das Linde-Verfahren

Beim Linde-Verfahren wird die Luft als in einem Kompressor erst verdichtet. Dabei erwärmt sich die Luft und wird dann durch einen Wärmetauscher geleitet. So wird es auf Umgebungstemperatur vorgekühlt. Anschließend wird es erst durch einen Molekularsieb aufgereinigt. Danach wird die Luft entspannt in dem es über eine Turbine und dann über ein Drosselventil strömt. Wiederholt man das Komprimieren und Expandieren, wird die Luft auf unter -196°C gekühlt und verflüssigt.

Die Destillation der flüssigen Luft

Die verflüssigte Luft aus dem Lindeverfahren wird anschließend durch Destillation in seine Bestanteile aufgetrennt. Hier macht man sich die unterschiedlichen Siedepunkte der einzelnen Bestandteile der Luft zunutze. Die flüssige Luft fließt über mehrere Destillationskolonnen. In jeder Kolonne reichert sich Stickstoff aufgrund seines niedrigeren Siedepunkts am Kopf der Kolonne als Gas an, während das Chalkogen Sauerstoff am Boden kondensiert und in die nächste Kolonne fließt.

Schwefel

Das Chalkogen Schwefel wird aus unterirdischen Lagerstätten, in denen es elementar vorkommt, mit dem Frasch-Verfahren zutage gefördert. Beim Frasch-Verfahren wird der Schwefel unterirdisch aufgeschmolzen. Dafür wird ca. 170°C heißes Wasser unter Druck in die Lagerstätte gepresst. Anschließend wird mit heißer Druckluft das flüssige Schwefel aus der Lagerstätte gefördert. Dieser Schwefel hat eine Reinheit von ca. 99,5% und kann mittels Destillation weiter aufgereinigt werden.

Ebenfalls kann Schwefel aus Schwefelwasserstoff dargestellt werden, der in Erdöl und Erdgas enthalten ist. Hierzu nutzt man den Claus-Prozess.

Der Claus-Prozess

Beim Claus-Prozess wird Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid oxidiert (1). Dieser reagiert mittels eines Katalysators mit weiterem Schwefelwasserstoff zu elementarem Schwefel und Wasser (2).

Selen und Tellur

Die beiden Chalkogene Selen und Tellur werden vor allem aus dem Anodenschlamm, der bei der elektrolytischen Kupfer-Raffination entsteht, gewonnen. In diesem Anodenschlamm kommen beide Chalkogene als Edelmetall-Telluride und -Selenide vor.

Trennung von Selen und Tellur

Die Edelmetall-Telluride und -Selenide reagieren mit Natriumcarbonat unter Sauerstoff und bei Temperaturen von etwa 500°C zu Natriumtellurit () und Natriumselenit

(). Beide Verbindungen werden dann in Wasser gelöst. Es entsteht eine basische Lösung. Danach werden beide Verbindungen getrennt, indem man diese basische Lösung mit Schwefelsäure () neutralisiert. Dabei fällt Tellurdioxid aus und das Selen verbleibt als selenige Säure in der Lösung.

Darstellung von Selen

Zur selenigen Säure wird Schwefeldioxid eingeleitet. Diese reduziert die Selenit-Ionen zu elementarem Selen. Dabei entsteht auch Schwefelsäure.

Das Chalkogen Selen wird danach ausgefiltert und aufgereinigt.

Darstellung von Tellur

Das Chalkogen Tellur wird aus dem Tellurdioxid gewonnen. Hierzu kann man das Tellurdioxid in einer konzentrierten Mineralsäure lösen und Schwefeldioxid einleiten. Diese reduziert das Tellurdioxid zu elementarem Tellur. Und es entsteht erneut Schwefelsäure.

Polonium

Heute wird das Chalkogen Polonium größtenteils im Kernreaktor hergestellt. Dafür wird Bismut mit Neutronen beschossen. Das dabei entstehende Bismut-Isotop zerfällt über den den Betazerfall in 5,01 Tagen (=Halbwertszeit) zu Polonium. Danach wird das Polonium durch Destillation vom Bismut getrennt. Weltweit wird jährlich etwa 100 g des Chalkogens Polonium auf diese Art hergestellt.

Verbindungen der Chalkogene

Mit Metallen bilden Chalkogene Metallchalkogene. Am häufigsten kommen diese als Oxide und Sulfide vor. Mit Wasserstoff bilden Chalkogene Chalkogen-Wasserstoffe mit der Summenformel (X= Chalkogen). Sauerstoff bildet außerdem noch Wasserstoffperoxid ().

Dabei sind die Wasserstoffverbindungen der Chalkogene Schwefel, Selen und Tellur extrem giftige Gase. Poloniumwasserstoff ist währenddessen flüssig und chemisch instabil. Auch untereinander gehen Chalkogene Verbindungen ein. So bilden sie zum Beispiel Schwefeloxide oder Selensulfide. In Wasser bilden die Oxide der Chalkogene Säuren.