Warum gibt Bismut 5 Elektronen ab, obwohl es in der 5. Hauptgruppe steht?
Wir haben im Unterricht gelernt, dass Elemente der ersten bis zur dritten Hauptgruppe Elektronen abgeben und Elemente der fünften bis zur siebten Hauptgruppe Elektronen aufnehmen. Die Elemente der vierten Hauptgruppe täten beides. Warum gibt aber dann Bismut 5 Elektronen ab und steht in der 5. Hauptgruppe?
3 Antworten
Weil diese Regel so nur für die zweite Periode anwendbar ist. Nach unten werden die Atome immer größer und ihre Außenelektronen sind immer weiter weg vom Kern. Dadurch können sie ihre Elektronen auch immer schlechter festhalten und kriegen sie dann schon mal von elektronegativeren Elementen abgenommen.
Metalle bevorzugen positive Oxidationszahlen, Nichtmetalle negative. Daher nehmen Nichtmetalle tendenziell Elektronen auf. Außerdem stehen Nichtmetalle im Periodensystem rechts.
So kommt man zur Regel, daß die Elemente in der rechten Hälfte des Periodensystems tendenziell Elektronen aufnehmen, und zwar soviele wie ihnen fehlen um an die Achterschale zu kommen.
Allerdings hat dieses Kindergartenszenario mindestens zwei große Probleme:
- Ja, manche Nichtmetalle bilden Anionen, aber sie haben ja auch die Möglichkeit zur kovalenten Bindung. Deshalb gibt es Verbindungen zwischen Nichtmetallen wie NCl₃, I₂O₅, ClF₃, POCl₃ oder SF₆. Die bestehen aus Molekülen, nicht aus Ionen, und die Regeln „Das Element nimmt Elektronen auf“ zielt ins Leere.
- Die Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen verschiebt sich bei den höheren Perioden immer mehr nach rechts. Bismut ist schon ziemlich metallisch und kommt daher überwiegend als Ion Bi³⁺ vor, es gibt aber auch ein Bi₂O₅ und das zugehörige Ion BiO₃¯ Bismutat(V). Bismut in negativen Oxidationszahlen ist selten bis exotisch, am ehesten entspricht Magnesiumbismutid Mg₃Bi₂ der naiven Vorstellung eines Bi³¯-Ions, aber die meisten anderen Bismutide (z.B. NaBi, KBi₂, BaBi₃) haben überraschende Stöchiometrien, die mit der Oktettregel unvereinbar sind.
- Es wird Dich vielleicht überraschen, daß Bi³⁺ für Bismut die normale Form ist; wahrscheinlich hättest Du wegen der Oktettregel auf Bi⁵⁺ getippt, wenn es schon unbedingt positiv sein muß. Dahinter steckt der inert-pair-Effekt: Die schweren Hauptgruppenelemente, also vor allem in der 6. Periode, in viel geringerem Ausmaß auch bereits in der 5., neigen dazu, ihre beiden s-Elektronen zu ignorieren. Deshalb kommt auch Blei überwiegend als Pb²⁺ und nicht gerne vierwertig vor.
- Ein echtes Bi⁵⁺-Ion kannst Du sowieso nicht erwarten, das ist einfach zuviel Ladung. Eigentlich können Ionen maximal drei Ladungen tragen, ein paar ganz wenige auch vier (Ce⁴⁺, Th⁴⁺ und ein paar andere f-Elemente, aber auch die neigen zur Komplexbildung), und wenn die Ladung zu hoch wird, bilden sie komplexe Ionen mit elektronegativen Bindungspartnern, z.B. Pb⁺ᴵⱽCl₆²¯ oder Bi⁺ⱽO₃¯ oder Si⁺ᴵⱽF₆²¯ oder Cr⁺ⱽᴵO₄²¯
Die Tendenz sich wie ein Metall zu verhalten, steigt mit der Masse, bzw. innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten. Während Stickstoff und Phosphor Nichtmetalle sind, haben Arsen und Antimon Eigenschaften eines Halbmetalls und Bismut eines Metalls.
Das gilt in den Hauptgruppen 3-6, wo die Grenze zwischen den Nichtmetallen und Metallen diagonal von links-oben nach rechts-unten verläuft, auf der Linie der Halbmetalle!
Also geben Metalle normalerweise Elektronen ab, Halbmetalle können beides und Nichtmetalle nehmen Elektronen auf?