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Halogene: Eigenschaften, Trends und Reaktionen
Die gut untersuchten Halogene Fluor, Chlor, Brom und Iod sind reaktionsfreudige Nichtmetalle der 7. Hauptgruppe beziehungsweise Gruppe 17. Ihre Atome besitzen sieben Außenelektronen und bilden mit Metallen häufig Salze. Von Fluor zu Iod sinkt die Reaktivität, während Schmelz- und Siedetemperaturen steigen.
Auf dieser Seite lernst du, diese Gemeinsamkeiten und Trends zu erklären, Reaktionsgleichungen zu deuten und Vorhersagen zu treffen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum bilden Halogene Salze?
Zur Gruppe 17 gehören Fluor, Chlor, Brom, Iod, Astat und das künstlich erzeugte Tenness. Für den schulischen Stoffvergleich betrachtet man meist Fluor bis Iod, weil sich ihre Eigenschaften zuverlässig vergleichen lassen. Der Name Halogene bedeutet Salzbildner: Halogene reagieren mit vielen Metallen zu salzartigen Verbindungen.
Außenelektronen
Außenelektronen sind die Elektronen in der äußersten besetzten Schale eines Atoms. Sie beeinflussen wesentlich, wie das Atom reagiert.
Ein Halogenatom besitzt sieben Außenelektronen. Im einfachen Schalenmodell fehlt ihm damit ein Elektron zu einer voll besetzten Außenschale. Es kann ein Elektron aufnehmen:
$$X + e^- \rightarrow X^-$$
Dabei steht $X$ allgemein für ein Halogenatom. Das entstandene, einfach negativ geladene Ion heißt Halogenidion.
Halogenidion und Halogenid
Ein Halogenidion ist ein einfach negativ geladenes Halogenion, zum Beispiel $Cl^-$ oder $Br^-$. Verbindungen mit solchen Ionen heißen Halogenide, etwa Natriumchlorid $NaCl$.
Als elementare Stoffe treten Fluor, Chlor, Brom und Iod in zweiatomigen Molekülen auf: $F_2$, $Cl_2$, $Br_2$ und $I_2$.
Sieben Außenelektronen erklären die gemeinsame Tendenz der Halogene, ein Elektron aufzunehmen. Der Modellgedanke beschreibt eine Tendenz und nicht den vollständigen Ablauf jeder Reaktion.
Welche Eigenschaften ändern sich in der Gruppe?
Die folgenden Daten zeigen den gut erkennbaren Verlauf von Fluor bis Iod:
| Elementarer Stoff | Farbe | Aggregatzustand im üblichen Schulvergleich | Reaktivität innerhalb der Reihe |
|---|---|---|---|
| $F_2$ | schwach gelbgrün | gasförmig | am höchsten |
| $Cl_2$ | gelbgrün | gasförmig | hoch |
| $Br_2$ | rotbraun | flüssig | geringer |
| $I_2$ | grauschwarz; Dampf violett | fest | am geringsten |
Von Fluor nach Iod gelten diese Trends:
- Die Reaktivität und die Elektronegativität nehmen ab.
- Farbintensität und Dichte nehmen zu.
- Schmelz- und Siedetemperaturen nehmen zu.
- Der Aggregatzustand wechselt von gasförmig über flüssig zu fest.
Die steigenden Schmelz- und Siedetemperaturen hängen mit den stärker werdenden Anziehungskräften zwischen den Molekülen zusammen. Mit zunehmender Atommasse werden die Van-der-Waals-Kräfte stärker. Zum Trennen der Moleküle ist deshalb mehr Energie nötig.
Alle betrachteten Elemente besitzen sieben Außenelektronen. Das erklärt ihre ähnlichen Reaktionsweisen als Familie. Die Anzahl der Außenelektronen allein erklärt jedoch nicht, warum die Reaktivität innerhalb der Gruppe abnimmt. Diese Abnahme ist zunächst ein aus Stoffdaten und Reaktionen beobachteter Gruppentrend.
Astat ist radioaktiv, sehr selten und wenig untersucht. Auch für das künstlich erzeugte Tenness fehlen in der vorliegenden Grundlage vergleichbare Stoffdaten. Deshalb werden beide nicht so zuverlässig in den einfachen Stoffvergleich eingeordnet wie Fluor, Chlor, Brom und Iod.
Wie entstehen Halogenide?
Halogene reagieren mit vielen Metallen zu Halogenidsalzen. Ein wichtiges Beispiel ist die Bildung von Natriumchlorid:
$$2\,Na + Cl_2 \rightarrow 2\,NaCl$$
Ein Chlormolekül enthält zwei Chloratome. Jedes Chloratom nimmt ein Elektron auf. Deshalb werden zwei Natriumatome benötigt, die jeweils ein Elektron abgeben.
- Zwei Natriumatome geben zusammen zwei Elektronen ab.
- Die beiden Chloratome des Moleküls nehmen je ein Elektron auf.
- Es entstehen Natriumionen und Chloridionen.
- Diese entgegengesetzt geladenen Ionen bilden das Salz Natriumchlorid.
Die Koeffizienten $2 : 1 : 2$ sorgen dafür, dass auf beiden Seiten zwei Natrium- und zwei Chloratome vorkommen.
Eine Verbindung besitzt andere Eigenschaften als ihre Ausgangsstoffe. Giftiges elementares Chlor und reaktionsfreudiges Natrium ergeben nicht einfach eine Mischung ihrer Eigenschaften, sondern den neuen Stoff Natriumchlorid.
Halogene reagieren außerdem mit Wasserstoff zu Halogenwasserstoffen. Für Chlor gilt:
$$H_2 + Cl_2 \rightarrow 2\,HCl$$
Die Heftigkeit dieser Elementreaktionen nimmt von Fluor zu Iod ab.
Elementare Halogene sind giftig und teils stark ätzend. Reaktionen mit ihnen gehören in ein dafür ausgestattetes Labor und werden nur unter fachkundiger Aufsicht durchgeführt. Stoffdaten und Reaktionsgleichungen lassen sich dagegen gefahrlos auswerten.
Wo kommen Halogene vor und wie gewinnt man sie?
Wegen ihrer hohen Reaktivität kommen Halogene in der Natur überwiegend gebunden vor. Häufig liegen sie als Halogenidionen in Salzen vor, zum Beispiel:
- Fluorid in Mineralien wie Calciumfluorid $CaF_2$,
- Chlorid als Natriumchlorid $NaCl$ in Meerwasser und Salzlagerstätten,
- Bromid in Meerwasser und Salzlagerstätten,
- Iodid in Meeresorganismen.
Für die Gewinnung elementarer Halogene müssen Halogenidionen Elektronen abgeben. Bei Fluor ist dafür eine Elektrolyse nötig:
$$2\,F^- \rightarrow F_2 + 2\,e^-$$
Weniger reaktive Halogene können auch durch stärkere Oxidationsmittel aus ihren Halogeniden gewonnen werden. Chlor kann beispielsweise Bromid zu Brom umsetzen:
$$Cl_2 + 2\,Br^- \rightarrow 2\,Cl^- + Br_2$$
Dabei wird Bromid zu Brom oxidiert. Chlor wird gleichzeitig zu Chlorid reduziert.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Halogene kommen in der Natur überwiegend vor. Ein einfach negativ geladenes Halogenion heißt . Bei der Reaktion von Chlor mit Bromid entsteht elementares .
Wie leitest du den Reaktivitätstrend ab?
Beim Auswerten von Daten trennst du drei Ebenen:
- Beobachtung: Was zeigen Farbe, Aggregatzustand oder Reaktionsverlauf?
- Trend: Wie verändert sich eine Eigenschaft innerhalb der Gruppe?
- Modellbegründung: Welche Teilchenvorstellung erklärt Gemeinsamkeiten oder Veränderungen?
Gegeben ist die Reaktivitätsfolge:
$F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$
Beobachtung: Chlor setzt Brom aus Bromid frei.
Trend: Ein weiter oben stehendes Halogen kann Halogenidionen eines darunter stehenden Halogens oxidieren.
Vorhersage: Chlor kann auch Iodid zu Iod oxidieren. Iod ist dagegen weniger reaktiv als Brom und kann Bromid nach diesem Trend nicht zu Brom oxidieren.
Die Vorhersage gilt innerhalb des hier betrachteten Reaktionstyps. Sie ist keine Behauptung, dass Chlor unter allen Bedingungen mit jedem Stoff heftiger reagiert.
Beschreibe zuerst die Daten, formuliere dann den begrenzten Trend und begründe erst danach mit einem Modell. So verwechselst du Beobachtung und Erklärung nicht.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Halogene
- Atombau
- sieben Außenelektronen
- Bildung von $X^-$
- Elementare Stoffe
- zweiatomige Moleküle $X_2$
- Fluor und Chlor gasförmig, Brom flüssig, Iod fest
- Gruppentrends
- Reaktivität nimmt nach unten ab
- Schmelz- und Siedetemperaturen nehmen zu
- Reaktionen
- mit Metallen zu Halogeniden
- mit Wasserstoff zu Halogenwasserstoffen
- stärkere Halogene oxidieren schwächere Halogenide
- Vorkommen und Gewinnung
- überwiegend gebunden in Salzen
- Elektrolyse oder Oxidation von Halogeniden
- Atombau
Abschluss-Check
Du hast das Ziel erreicht, wenn du aus Stoffdaten zuerst einen Trend formulierst, ihn von der Modellbegründung unterscheidest und damit eine neue Reaktion begrenzt vorhersagen kannst.