Stickstoff, Übergangsmetalle, Chrom und Mangan: Chemie im Überblick

Familie des Stickstoffs (VA)

Die Familie des Stickstoffs umfasst N, P, As, Sb und Bi. Phosphor zeigt Allotropie, wobei weißer Phosphor aktiv ist und roter Phosphor inaktiv ist.

Oxide des Stickstoffs

Stickstoff bildet mehrere Oxide:

• N₂O (Distickstoffmonoxid, Lachgas)
• NO (Stickstoffmonoxid, paramagnetisch)
• NO₂ (Stickstoffdioxid)
• N₂O₄ (Distickstofftetroxid, diamagnetisch)

Weitere wichtige Verbindungen

Ammoniak reagiert mit Wasser: NH₃ + H₂O → NH₄OH.

Herstellung der Salpetersäure (HNO₃)

Salpetersäure wird aus Ammoniak gewonnen:

• 4 NH₃(g) + 5 O₂(g) → 4 NO(g) + 6 H₂O(g)
• 2 NO + O₂ → 2 NO₂
• 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO

Die Reaktion erfolgt in Anwesenheit eines Platin-Katalysators.

Eigenschaften der Salpetersäure

Reine Salpetersäure ist eine farblose Flüssigkeit. Kommerzielle Salpetersäure (ca. 15 M) ist durch gelöste Stickstoffoxide gelb gefärbt. Sie ist ein sehr wichtiges Oxidationsmittel.

• Reaktion mit Metallen: Salpetersäure löst unedle Metalle, die aktiver als Wasserstoff sind. Mit Magnesium: Mg(s) + 2 H⁺ + 2 NO₃^- → Mg²⁺ + 2 NO₃^- + H₂(g).
• Verdünnte Säure mit Kupfer: 3 Cu(s) + 8 H⁺ + 2 NO₃^- → 3 Cu²⁺ + 2 NO(g) + 4 H₂O.
• Konzentrierte, heiße Säure mit Kupfer: Cu(s) + 4 H⁺ + 2 NO₃^- → Cu²⁺ + 2 NO₂(g) + 2 H₂O.
• Reaktion mit Nichtmetallen: Schwefel wird durch heiße konzentrierte Salpetersäure zu Schwefelsäure oxidiert: S + 6 HNO₃ → H₂SO₄ + 6 NO₂ + 2 H₂O.
• Reaktion mit Iod: 3 I₂ + 10 HNO₃ → 6 HIO₃ + 10 NO(g) + 2 H₂O.

Übergangselemente

Merkmale der Übergangselemente:

• Unvollständig besetzte d-Unterschalen
• Sehr kompakte Atome mit kleinen Atomradien
• Starke metallische Bindung, daher hohe Dichte sowie hohe Schmelz- und Siedepunkte
• Die meisten Ionen sind farbig
• Die Verbindungen sind häufig paramagnetisch, bedingt durch die unvollständigen d-Orbitale
• Sie wirken als Lewis-Säuren und bilden komplexe Ionen
• Gute Katalysatoren, besonders Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni und Cu

Chrom

Die Elektronenkonfiguration von Chrom lautet [Ar] 3d⁵ 4s¹. Wichtige Oxidationszahlen sind +2, +3 und +6.

• Das Chrom(II)-Ion (Cr²⁺) ist ein leicht oxidierbares Reduktionsmittel: Cr²⁺ → Cr³⁺ + e^-.
• Dichromat ist ein gutes Oxidationsmittel: Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6 e^- → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O.
• Chromat (CrO₄^2-) und Dichromat (Cr₂O₇^2-) liegen je nach pH-Wert im Gleichgewicht vor: 2 CrO₄^2- + 2 H⁺ → Cr₂O₇^2- + H₂O.

Gewinnung von Chrom

Chrom wird aus dem Chromerz Chromit (FeCr₂O₄) gewonnen. Durch Reduktion mit Kohlenstoff entsteht Ferrochrom: FeCr₂O₄(s) + 4 C(s) → Fe·2Cr(s) + 4 CO(g). Ferrochrom wird zur Herstellung von Edelstahl verwendet. Reines Chrom erhält man durch Reduktion von Chrom(VI)-Verbindungen. Das Metall ist sehr hart und widerstandsfähig, da es durch eine dünne Oxidschicht geschützt wird.

Mangan

Die Elektronenkonfiguration von Mangan lautet [Ar] 3d⁵ 4s². Das bekannteste Mineral ist Braunstein (MnO₂). Mangan wird unter anderem durch Aluminothermie gewonnen: 3 MnO₂(s) + 4 Al(s) → 3 Mn(s) + 2 Al₂O₃(s). Mangan wird in Hart- und Schmiedeeisen sowie in Legierungen verwendet.

Oxidationsstufen des Mangans

Mangan besitzt Oxidationszahlen von +2 bis +7. Wichtige Verbindungen sind:

• +4: MnO₂, verwendet in Batterien
• +6: Manganat (MnO₄^2-), ein starkes Oxidationsmittel im alkalischen Medium und ein schwaches im sauren Medium
• +7: Permanganat (MnO₄^-), ein starkes Oxidationsmittel im sauren Medium: MnO₄^- + 8 H⁺ + 5 e^- → Mn²⁺ + 4 H₂O

Im neutralen bzw. schwach alkalischen Medium entsteht Braunstein: MnO₄^- + 2 H₂O + 3 e^- → MnO₂ + 4 OH^-.