Halogene

Halogene einfach erklärt

Halogene sind die Elemente aus der 7. Hauptgruppe des Periodensystems: Fluor, Chlor, Brom, Iod, Astat und Tenness. Da sie 7 Valenzelektronen besitzen, handelt es sich um sehr reaktionsfreudige Elemente, die auch als Salzbildner bekannt sind.

Was sind Halogene?

Als Elemente der 7. Hauptgruppe des Periodensystems zwischen Edelgasen und Chalkogenen besitzen Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Iod (I), Astat (At) und Tenness (Ts) 7 Elektronen auf der Außenschale. Dadurch sind sie sehr reaktiv, schließlich benötigen sie nur noch ein Elektron um die besonders stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen. Dabei werden die oberen 4 Elemente zu den Nichtmetallen gezählt. Astat ist radioaktiv und weist bereits einige metallische Eigenschaften auf. Es wird also zu den Halbmetallen gezählt. Tenness wurde erstmals 2010 synthetisiert. Die Halogene haben ihren Namen aus dem Griechischen, wobei dieser für „Salzbildner“ steht. 

Halogene Eigenschaften

Die Halogene haben bei Raumtemperatur verschiedene Aggregatzustände, wobei die Stärke der Farbe mit steigender Ordnungszahl zunimmt. Fluor ist ein gelbgrünes Gas und Chlor ist ein grünes Gas. Brom ist flüssig und rotbraun, während Iod ein grauschwarzer Feststoff ist bei Raumtemperatur, allerdings leicht sublimiert. Das heißt, es geht vom festen in den gasförmigen Zustand über. Astat ist zwar ebenfalls ein Feststoff, aber radioaktiv, wodurch es sehr schnell zerfällt und wenig über seine Eigenschaften bekannt ist.

Durch die 7 Valenzelektronen sind die Halogene sehr reaktive Elemente, was sie jedoch auch giftig für den Menschen macht. Sie liegen meist zweiatomig vor und reagieren heftig, besonders mit unedlen Metallen, die leicht ein Elektron abgeben.

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Eigenschaften der Elemente aus der 7. Hauptgruppe zusammen.

Physikalische Eigenschaften Halogene

Allgemein besitzen die Halogene eine relativ hohe 1. Ionisierungsenergie , wobei diese innerhalb der Gruppe im Periodensystem von oben nach unten abnimmt. Die Elektronegativität verhält sich genauso. Andererseits nehmen Schmelz-, Siedepunkte und die Dichte mit der Ordnungszahl zu. Im Kristallsystem ordnet sich Fluor kubisch an, aber Chlor, Brom und Iod orthorhombisch. Da sich die Halogene zu zweiatomigen Molekülen verbinden, sind sie Nichtleiter , also Isolatoren. 

Halogene Verbindungen

Allgemein sind die Halogene sehr reaktiv. Daraus folgt auch eine Vielzahl von Verbindungen, die entstehen können. Im Folgenden werden wir einige genauer betrachten.

Interhalogenverbindungen

Die Halogene können untereinander Verbindungen eingehen. Allerdings sind diese instabil oder zumindest extrem reaktiv. In welchem Verhältnis sich die Verbindungen zusammensetzen hängt von den Reaktionsbedingungen ab, also Temperatur, Katalysator oder Druck. Im Format XX‘ können sowohl X als auch X‘ alle Elemente sein. Beim Format XX‘₃ kann X‘ nur noch Fluor, Brom oder Chlor sein. Bei XX‘₅ muss X‘ Fluor sein und als XX‘₇ ist nur IF₇ bekannt. Jede dieser Verbindungen ist ein stark oxidierendes Fluorierungsmittel.

Das Interessante an den höheren Interhalogenverbindungen ist, dass sie die Oktettregel verletzen. Stattdessen muss ihre Struktur mit der Elektronenpaar-Abstoßungstheorie erklärt werden.

Daneben sind auch einfach negativ geladene Verbindungen als XX‘₆^– bekannt und Interhalogenverbindungen, die außerdem Sauerstoff enthalten.

Halogenwasserstoffe

Bei der Reaktion mit Wasserstoff (H₂) bilden sich Halogenwasserstoffe (HX). 

X₂ + H₂ → 2 HX

Während Fluor direkt mit Wasserstoff reagiert, muss die Reaktion mit Chlor zum Beispiel durch Erwärmung unterstützt werden um zu starten. Die Reaktion ist stark exotherm und explosiv, weshalb man sie auch als Chlorknallgas bezeichnet. Der Mechanismus dahinter ist die radikalische Substitution . Bei Brom ist die Reaktion bereits weniger stark und Iod reagiert nicht einmal vollständig.

 F₂ + H₂ → 2 HF

Cl₂ + H₂ → 2 HCl

Br₂ + H₂ → 2 HBr

I₂ + H₂ → 2 HI

Halogenide

Halogenide sind Verbindungen zwischen Halogenen und Nicht-Halogenen. Bisher nicht bekannt sind lediglich Halogenide mit Helium, Neon und Argon, ansonsten kennen wir bereits Halogenide mit allen anderen Elementen. Dabei entstehen die verschiedensten Verbindungen mit den verschiedensten physikalischen Eigenschaften. Unterscheiden kannst du sie vor allem nach den Bindungsarten. Es gibt also salzartige, kovalente und komplexe Halogenide.

Salzartige Halogenide bestehen aus Anionen und Kationen mit ausreichend hoher Elektronegativitätsdifferenz. Ein Beispiel ist das Kochsalz, also Natriumchlorid NaCl. Die negativ geladenen Chlorid-Ionen werden dabei durch elektrostatische Wechselwirkungen mit den positiv geladenen Natrium-Ionen zusammengehalten. 

Bei den kovalenten Halogeniden ist die Elektronegativitätsdifferenz geringer, aber noch größer als 0. Nur bei Bindungen von zwei gleichartigen Atomen ist die Elektronegativitätsdifferenz null und damit eine unpolare Bindung. Ein Beispiel für kovalente Halogenide ist die Salzsäure HCl. Tatsächlich sind viele kovalente Halogenide sogenannte Lewis-Säuren .

Die Abnahme des ionischen Charakters innerhalb der Gruppe von oben nach unten lässt sich anhand der Aluminiumhalogenide zeigen. Während Aluminiumfluorid ein salzartiges Halogenid ist, zeigt Aluminiumchlorid bereits eher kovalenten Bindungscharakter.

In komplexen Halogeniden werden die Halogenid-Ionen als Liganden verwendet. Beispiele dafür sind die anionischen Halogenido-Komplexe wie AlCl₃^–.

Halogensauerstoffsäuren

Halogene können verschiedene Säuren bilden: Hypohalogenige Säuren (HOX), halogenige Säuren (HXO₂), Halogensäuren (HXO₃) und Perhalogensäuren (HXO₄, H₄I₂O₉, H₅IO₆). Fluor ist allerdings nur fähig die hypohalogenige Säure zu bilden. Chlor kann alle 4 Säuren ausbilden, während Brom und Iod nicht zur halogenigen Säure reagieren können.

Fluor:          HOF

Chlor:          HOCl, HClO₂, HClO₃, HClO₄

Brom:          HOBr, HBrO₃ HBrO₄

Iod:          HOI, HIO₃, HIO₄, H₄I₂O₉, H₅IO₆

Halogene Vorkommen

Da die Halogene sehr reaktionsfreudig sind, findest du sie nur in gebundener Form in der Natur, vor allem in Form von Halogeniden. Besonders häufig sind Halogene in Salzen mit Alkali- oder Erdalkalimetallen zu finden. Das wohl bekannteste Beispiel steht bei dir in der Küche: Natriumchlorid, besser bekannt als Kochsalz. Astat entsteht hingegen in geringen Mengen als Zerfallsprodukt von Actinium, Thorium und Uran.

Halogene Verwendung

Halogene finden in vielen Bereichen Verwendung. Fluor wurde früher viel als Kühl- und Treibmittel verwendet. Außerdem ist Polytetrafluorethen ein besonders widerstandsfähiger Kunststoff und flüssige Kohlenstofffluoride chemisch widerstandsfähige Schmiermittel. Am bekanntesten ist Fluor aus dem medizinischen Bereich: während es auch im Trinkwasser enthalten ist, wird es vor allem in Zahnpasta verwendet als Vorbeugung von Zahnverfall.

Chlor hingegen findet ebenfalls Verwendung in Medikamenten, Kunststoffen und Kühlmitteln, aber auch in Pflanzenschutzmitteln und Farbstoffen. Außerdem wird die Salzsäure HCl bei der Metallreinigung und Nahrungsmittelverarbeitung sowie bei der Erdölaufbereitung verwendet.

Brom tritt vor allem in Zwischenprodukten bei der Herstellung von Pflanzenschutzmitteln, Medikamenten und Farbstoffen auf. Vor allem Kaliumbromid wird auch im pharmazeutischen Bereich verwendet. 

Iod wird von den 4 stabilen Halogenen am wenigsten verwendet, kann aber auch in Farbstoffen und Medikamenten gefunden werden.