Halogene - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 5-6, G-Niveau

Einleitung

Die Halogene bilden die 7. Hauptgruppe beziehungsweise die Gruppe 17 des Periodensystems. Zu ihnen gehören Fluor, Chlor, Brom, Iod, Astat und Tenness. Der Name bedeutet Salzbildner, weil Halogene mit vielen Metallen Salze bilden. Ein bekanntes Beispiel ist Natriumchlorid, also Kochsalz.

Im Chemieunterricht stehen vor allem Fluor, Chlor, Brom und Iod im Mittelpunkt. Diese Elemente sind reaktionsfreudige Nichtmetalle. Elementar treten sie als zweiatomige Moleküle auf: F₂, Cl₂, Br₂ und I₂.

Die Halogene in einer Darstellung des Periodensystems

Das folgende Video gibt Dir einen ersten Überblick. Notiere beim Ansehen die Stellung der Halogene im Periodensystem, ihre Außenelektronen und zwei typische Eigenschaften.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du …

1. Halogene im Periodensystem einordnen.
2. den Zusammenhang zwischen Außenelektronen und Reaktionsverhalten erklären.
3. wichtige Gruppentrends beschreiben.
4. einfache Reaktionsgleichungen der Halogene deuten.
5. zwischen Halogenen und Halogenid-Ionen unterscheiden.
6. Nutzen, Risiken und Umweltwirkungen ausgewählter Halogenverbindungen beurteilen.

Die Halogene im Periodensystem

Halogene stehen direkt links von den Edelgasen. Ihre Atome besitzen sieben Außenelektronen. Zur stabilen Edelgaskonfiguration fehlt ihnen daher meist nur ein Elektron. Deshalb nehmen Halogenatome bei vielen Reaktionen Elektronen auf.

Element	Symbol	Ordnungszahl	Beobachtung bei Raumtemperatur
Fluor	F	9	blassgelbes Gas
Chlor	Cl	17	gelbgrünes Gas
Brom	Br	35	rotbraune Flüssigkeit
Iod	I	53	grauschwarzer Feststoff, violetter Dampf
Astat	At	85	radioaktiv und äußerst selten
Tenness	Ts	117	künstlich erzeugt und sehr kurzlebig

Die Eigenschaften von Astat und Tenness sind nur eingeschränkt experimentell zugänglich. Für schulische Versuche und Modelle werden deshalb meist Fluor, Chlor, Brom und Iod betrachtet.

Chlor, Brom und Iod im Vergleich

Außenelektronen und Ionenbildung

Die allgemeine Außenelektronenkonfiguration der Halogene lautet ns²np⁵. Ein Halogenatom kann ein Elektron aufnehmen und dadurch ein einfach negativ geladenes Halogenid-Ion bilden.

$\mathrm{X}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}{\mathrm{X}}^{\mathrm{-}}$

Dabei steht X allgemein für ein Halogenatom. Beispiele für Halogenid-Ionen sind Fluorid F⁻, Chlorid Cl⁻, Bromid Br⁻ und Iodid I⁻.

Wichtig: Chlor ist das Element. Chlorid ist das negativ geladene Ion des Chlors. Diese Unterscheidung gilt entsprechend auch für die anderen Halogene.

Zweiatomige Moleküle

Elementare Halogene bestehen aus Molekülen mit jeweils zwei gleichen Atomen. Man schreibt deshalb F₂, Cl₂, Br₂ und I₂. Zwischen den Atomen liegt eine Atombindung vor.

$\mathrm{X}\mathrm{-}\mathrm{X}$

Die zweiatomige Form ist wichtig, wenn Du Reaktionsgleichungen aufstellst. Elementares Chlor wird beispielsweise nicht als Cl, sondern als Cl₂ eingesetzt.

Gruppentrends

Innerhalb der Halogengruppe verändern sich Eigenschaften regelmäßig. Solche Veränderungen nennt man Gruppentrends.

Eigenschaft	Veränderung von Fluor zu Iod	Erklärung
Atomradius	nimmt zu	Es kommen weitere Elektronenschalen hinzu.
Schmelz- und Siedetemperatur	nehmen zu	Größere Elektronenhüllen führen zu stärkeren Anziehungskräften zwischen den Molekülen.
Farbe	wird dunkler	Fluor ist blassgelb, Iod erscheint grauschwarz und bildet violetten Dampf.
Reaktivität als elementares Halogen	nimmt im Allgemeinen ab	Die Aufnahme eines Elektrons wird mit wachsendem Atomradius schwieriger.
Oxidationswirkung	nimmt ab	Fluor ist das stärkste Oxidationsmittel der Gruppe.

Bei Raumtemperatur zeigt sich der Trend besonders anschaulich: Fluor und Chlor sind gasförmig, Brom ist flüssig und Iod ist fest.

Fluor

Fluor ist das reaktivste Halogen und besitzt die höchste Elektronegativität aller Elemente. Elementares Fluor ist extrem gefährlich und wird im Schulunterricht nicht hergestellt. Fluorid-Verbindungen begegnen Dir dagegen im Alltag, etwa in manchen Zahnpflegeprodukten.

Flüssiges Fluor in einer stark gekühlten Apparatur

Chlor

Chlor ist bei Raumtemperatur ein gelbgrünes, giftiges Gas. Chlorverbindungen werden unter anderem bei der Wasseraufbereitung und bei der Herstellung von Kunststoffen wie PVC genutzt.

Chlor in einer verschlossenen Ampulle

Das englischsprachige Video zeigt Chlor als Element. Achte besonders auf Farbe, Aggregatzustand und Sicherheitsmaßnahmen.

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Brom

Brom ist das einzige Nichtmetall, das bei Raumtemperatur flüssig ist. Es ist rotbraun, flüchtig und giftig. Bromide werden unter anderem in chemischen Synthesen verwendet. Silberbromid war besonders für die klassische Fotografie wichtig.

Elementares Brom in einem verschlossenen Gefäß

Iod

Iod ist bei Raumtemperatur ein grauschwarzer Feststoff. Beim Erwärmen entsteht violetter Ioddampf. Iodid ist ein lebensnotwendiger Bestandteil der Schilddrüsenhormone und wird deshalb manchen Speisesalzen zugesetzt.

Iodkristalle

Astat und Tenness

Astat ist radioaktiv und kommt in der Natur nur in winzigen Mengen vor. Tenness wurde künstlich erzeugt und zerfällt sehr schnell. Deshalb sind die chemischen Eigenschaften dieser beiden Elemente deutlich weniger gut untersucht als die Eigenschaften von Fluor, Chlor, Brom und Iod.

Typische Reaktionen

Reaktion mit Metallen: Salzbildung

Halogene reagieren mit vielen Metallen zu Halogeniden. Bei der Reaktion von Natrium mit Chlor entsteht Natriumchlorid:

$\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}$

Dabei gibt Natrium Elektronen ab:

$\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}$

Chlor nimmt die Elektronen auf:

$\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$

Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme laufen gleichzeitig ab. Die Reaktion ist daher eine Redoxreaktion.

Ionengitter von Natriumchlorid

Im festen Natriumchlorid sind Na⁺- und Cl⁻-Ionen regelmäßig in einem Ionengitter angeordnet. Es liegen keine einzelnen NaCl-Moleküle vor.

Reaktion mit Wasserstoff

Halogene können mit Wasserstoff zu Halogenwasserstoffen reagieren. Für Chlor gilt:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$

Chlorwasserstoff HCl ist ein Gas. Wird es in Wasser gelöst, entsteht Salzsäure. Gasförmiger Chlorwasserstoff und wässrige Salzsäure sind daher nicht dasselbe.

Verdrängungsreaktionen

Ein reaktiveres Halogen kann die Ionen eines weniger reaktiven Halogens oxidieren. Chlor verdrängt beispielsweise Brom aus einer Bromid-Lösung:

$\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{B}{\mathrm{r}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{B}{\mathrm{r}}_{\mathrm{2}}$

Brom kann wiederum Iod aus einer Iodid-Lösung verdrängen:

$\mathrm{B}{\mathrm{r}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{I}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{B}{\mathrm{r}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}{\mathrm{I}}_{\mathrm{2}}$

Daraus ergibt sich für die Oxidationswirkung:

${\mathrm{F}}_{\mathrm{2}}>\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}>\mathrm{B}{\mathrm{r}}_{\mathrm{2}}>{\mathrm{I}}_{\mathrm{2}}$

Solche Versuche dürfen wegen der giftigen und reizenden Stoffe nur fachgerecht und unter geeigneten Schutzmaßnahmen durchgeführt werden.

Nachweis von Halogenid-Ionen

Chlorid-, Bromid- und Iodid-Ionen können mit Silber-Ionen nachgewiesen werden. Dabei entstehen schwer lösliche Niederschläge.

Halogenid-Ion	Reaktionsgleichung	Farbe des Niederschlags
Chlorid	$\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{A}\mathrm{g}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\downarrow }$	weiß
Bromid	$\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{B}{\mathrm{r}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{A}\mathrm{g}\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{\downarrow }$	cremefarben
Iodid	$\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{I}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{A}\mathrm{g}\mathrm{I}\mathrm{\downarrow }$	gelb

Die Silbernitratprobe wird im Unterricht nur nach Anweisung der Lehrkraft durchgeführt. Chemikalienreste gehören nicht in den Ausguss.

Halogene im Alltag

Halogenverbindungen sind in Natur, Technik und Medizin weit verbreitet. Elementare Halogene und ihre Verbindungen dürfen dabei nicht verwechselt werden.

1. Fluorid: Fluorid-Verbindungen kommen in Mineralen und in manchen Zahnpflegeprodukten vor.
2. Chlorid: Chlorid-Ionen sind Bestandteile von Kochsalz, Meerwasser und Körperflüssigkeiten.
3. Chlor: Chlorchemie spielt bei Desinfektion, Wasseraufbereitung und Kunststoffherstellung eine Rolle.
4. Bromid: Bromide werden in Labor, Technik und chemischer Industrie eingesetzt.
5. Iodid: Iodid wird für die Bildung von Schilddrüsenhormonen benötigt.
6. Iod: Iodhaltige Stoffe werden auch in Desinfektionsmitteln und Kontrastmitteln verwendet.

Medienauftrag

Sieh Dir das folgende Video an und erstelle danach eine Tabelle mit den Spalten Element, Aggregatzustand, Farbe und Verwendung.

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Sicherheit und Umwelt

Elementares Fluor, Chlor und Brom sind hochgefährliche Stoffe. Auch Ioddampf ist gesundheitsschädlich. Im Schulunterricht gelten deshalb strenge Schutzmaßnahmen.

Sicherheitsregeln:

1. Führe Halogenversuche nur nach Anweisung einer Fachlehrkraft durch.
2. Trage Schutzbrille und die vorgeschriebene Schutzausrüstung.
3. Arbeite mit flüchtigen Halogenen nur in geeigneten geschlossenen Systemen oder im Abzug.
4. Mische niemals Haushaltsreiniger. Säurehaltige Reiniger können aus Hypochlorit-Produkten giftiges Chlor freisetzen.
5. Entsorge halogenhaltige Stoffe als dafür vorgesehenen Chemikalienabfall.

Auch Umweltwirkungen müssen beurteilt werden. Manche halogenorganischen Verbindungen sind sehr stabil und können sich in der Umwelt anreichern. Andere Verbindungen sind für wichtige technische oder medizinische Anwendungen unverzichtbar. Eine Bewertung muss deshalb Nutzen, Gefährdung, Menge, Entsorgung und mögliche Alternativen berücksichtigen.

Zusammenfassung

Merke:

1. Halogene stehen in Gruppe 17 und besitzen sieben Außenelektronen.
2. Elementare Halogene liegen meist als zweiatomige Moleküle X₂ vor.
3. Halogenatome bilden häufig einfach negativ geladene Halogenid-Ionen.
4. Nach unten steigen Atomradius, Schmelztemperatur und Siedetemperatur.
5. Die Oxidationswirkung nimmt von Fluor zu Iod ab.
6. Halogene reagieren mit Metallen zu Salzen.
7. Elementare Halogene sind nicht mit ihren Halogenid-Verbindungen gleichzusetzen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

In welcher Gruppe des Periodensystems stehen die Halogene? (Gruppe 17) (!Gruppe 1) (!Gruppe 2) (!Gruppe 18)

Wie viele Außenelektronen besitzt ein Halogenatom? (Sieben) (!Eins) (!Zwei) (!Acht)

In welcher Form liegt elementares Chlor vor? (Als Cl2 Molekül) (!Als einzelnes Cl Atom) (!Als Clid Ion) (!Als Metallgitter)

Welches Halogen ist bei Raumtemperatur flüssig? (Brom) (!Fluor) (!Chlor) (!Iod)

Welche Ladung besitzt ein einfaches Halogenid Ion? (Minus eins) (!Plus eins) (!Plus zwei) (!Keine Ladung)

Wie verändert sich die Oxidationswirkung von Fluor zu Iod? (Sie nimmt ab) (!Sie nimmt zu) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie verschwindet bei Chlor)

Welcher Stoff entsteht bei der Reaktion von Natrium und Chlor? (Natriumchlorid) (!Natriumoxid) (!Chlorwasserstoff) (!Silberchlorid)

Was geschieht bei der Reaktion von Chlor mit Bromid Ionen? (Brom wird freigesetzt) (!Fluor wird freigesetzt) (!Chlor wird zu einem Metall) (!Es entsteht Sauerstoff)

Welche Farbe hat Silberchlorid als Niederschlag? (Weiß) (!Gelb) (!Violett) (!Schwarz)

Wofür benötigt der Körper Iodid? (Für die Bildung von Schilddrüsenhormonen) (!Für die Bildung von Zahnschmelz) (!Für die Bildung von Sauerstoff) (!Für die Herstellung von Kochsalz im Magen)

Memory

Fluor	blassgelbes Gas
Chlor	gelbgrünes Gas
Brom	rotbraune Flüssigkeit
Iod	grauschwarzer Feststoff
Halogenid	einfach negativ geladenes Ion
Natriumchlorid	Kochsalz
Silbernitratprobe	Halogenidnachweis

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Valenzelektronen	sieben Elektronen in der Außenschale
Halogenmolekül	Teilchen aus zwei gleichen Halogenatomen
Halogenid-Ion	einfach negativ geladenes Teilchen
Oxidationsmittel	Stoff nimmt Elektronen auf
Verdrängungsreaktion	reaktiveres Halogen setzt ein weniger reaktives frei
Ionengitter	regelmäßige Anordnung positiver und negativer Ionen

Kreuzworträtsel

Salzbildner	Welche deutsche Bedeutung hat der Name Halogene?
Fluor	Welches Halogen ist das stärkste Oxidationsmittel?
Brom	Welches Halogen ist bei Raumtemperatur flüssig?
Chlorid	Wie heißt das negativ geladene Ion des Chlors?
Oxidation	Wie nennt man die Abgabe von Elektronen?
Silbernitrat	Welcher Stoff wird beim klassischen Halogenidnachweis eingesetzt?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die Halogene stehen in der Gruppe des Periodensystems. Ein Halogenatom besitzt Außenelektronen. Elementare Halogene bilden meist Moleküle. Der Atomradius wird innerhalb der Gruppe nach unten . Die Schmelz- und Siedetemperaturen nach unten. Bei Raumtemperatur ist Brom . Halogenid-Ionen sind geladen. Bei Reaktionen mit Metallen entstehen häufig . Chlor kann aus Bromid-Lösungen elementares freisetzen. Silberchlorid bildet einen Niederschlag.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Periodensystem: Markiere die Halogene in einem Periodensystem und beschrifte ihre Symbole.
2. Aggregatzustand: Erstelle vier Stoffkarten zu Fluor, Chlor, Brom und Iod.
3. Sicherheitszeichen: Recherchiere passende Gefahrensymbole für Chlor und Brom und erkläre ihre Bedeutung.
4. Alltagschemie: Fotografiere drei Produktangaben mit Chlorid, Fluorid oder Iodid und ordne sie chemisch ein.

Standard

1. Teilchenmodell: Zeichne die Elektronenaufnahme eines Chloratoms und die Bildung eines Chlorid-Ions.
2. Redoxreaktion: Erkläre die Reaktion von Natrium mit Chlor mithilfe von Oxidation und Reduktion.
3. Gruppentrend: Gestalte ein Diagramm zu Aggregatzustand, Farbe und Reaktivität von Fluor bis Iod.
4. Halogenidnachweis: Entwickle ein Versuchsprotokoll für den Nachweis von Chlorid, Bromid und Iodid.

Schwer

1. Verdrängungsreaktion: Plane eine Versuchsreihe, mit der sich die Reihenfolge Chlor, Brom und Iod experimentell begründen lässt.
2. Umweltchemie: Vergleiche zwei halogenorganische Stoffgruppen hinsichtlich Nutzen, Beständigkeit und Umweltwirkung.
3. Trinkwasseraufbereitung: Bewerte Chlorung, Ozonierung und UV-Behandlung anhand selbst gewählter Kriterien.
4. Wissenschaftskommunikation: Produziere ein Erklärvideo, das den Unterschied zwischen Chlor und Chlorid verständlich darstellt.

Lernkontrolle

1. Struktur-Eigenschafts-Beziehung: Erkläre, warum Brom bei Raumtemperatur flüssig ist, während Chlor gasförmig und Iod fest ist.
2. Reaktionsvorhersage: Begründe, ob Brom eine Iodid-Lösung und ob Iod eine Chlorid-Lösung umsetzen kann.
3. Redoxanalyse: Ordne bei der Reaktion von Chlor mit Bromid Oxidation, Reduktion, Oxidationsmittel und Reduktionsmittel zu.
4. Stoff-Ion-Unterscheidung: Erkläre an einem Alltagsbeispiel, warum die Gefährlichkeit von Chlor nicht direkt auf Chlorid übertragen werden darf.
5. Experimentkritik: Beurteile einen Versuchsplan, bei dem Halogenlösungen offen auf dem Labortisch verwendet werden.
6. Nachhaltigkeit: Entwickle Kriterien, mit denen der Einsatz einer halogenhaltigen Verbindung bewertet werden kann.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du …

1. die Halogene im Periodensystem sicher einordnen kannst.
2. Außenelektronen, Ionenbildung und Reaktivität miteinander verknüpfst.
3. Gruppentrends fachlich begründest.
4. Reaktionsgleichungen ausgleichen und als Redoxreaktionen deuten kannst.
5. Verdrängungsreaktionen vorhersagst.
6. Halogene von Halogenid-Ionen unterscheidest.
7. Ergebnisse eines Halogenidnachweises auswertest.
8. Sicherheits- und Umweltaspekte sachgerecht beurteilst.
9. Fachbegriffe und chemische Formeln korrekt verwendest.

Verknüpfte Lernbereiche

Halogene - Chemie Periodensystem Hauptgruppe Atombau Valenzelektron Ionenbindung Redoxreaktion Oxidationsmittel Salze Nachweisreaktion Umweltchemie