Hauptgruppenelemente

Arsen und Antimon und ihre Verbindungen

Arsen und Antimon im Überblick: ihre Modifikationen, die Oxidationsstufen +III und +V, die amphoteren Oxide, die Hydride Arsan und Stiban sowie Sulfide und Fluoride.

Prüfungsrelevanz: wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Arsen und Antimon sind die Halbmetalle der 15. Gruppe mit der Valenzkonfiguration \(ns^2np^3\).
  • Arsen bildet metallisches graues Arsen mit Schichtgitter und nichtmetallisches gelbes Arsen aus \(\ce{As4}\)-Tetraedern.
  • Bevorzugt sind die Stufen +III (z. B. \(\ce{As2O3}\), Natriumarsenit) und +V (Arsenat, Antimonsäure).
  • Die Oxide sind amphoter, ihre Basizität steigt in der Gruppe mit der Ordnungszahl, und \(\ce{As(OH)3}\) reagiert in Wasser sauer.
  • Naszierender Wasserstoff bildet \(\ce{AsH3}\) und \(\ce{SbH3}\). Arsan zerfällt beim Erhitzen zum Arsenspiegel, verbrennt zu \(\ce{As2O3}\) und wirkt reduzierend.
  • \(\ce{Sb2S3}\) ist orange und löst sich in Ammoniumsulfid als Thioantimonat, \(\ce{SbF5}\) ist eine starke Lewis-Säure.

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Einordnung

Arsen und Antimon sind die Halbmetalle der Stickstoffgruppe. An ihnen zeigt sich der Übergang vom Nichtmetall zum Metall. In der Pharmazie begegnen sie als Schadstoffe und in klassischen Nachweisen wie der Marsh-Probe. Ihre Arznei- und Schadstoffe behandelt ein eigenes Kapitel.

Merkmal Ausprägung
Stellung im Periodensystem 15. Gruppe, As in der 4. Periode (\(Z = 33\)), Sb in der 5. Periode (\(Z = 51\))
Elektronenkonfiguration As: \([\mathrm{Ar}]\,3d^{10}4s^24p^3\), Sb: \([\mathrm{Kr}]\,4d^{10}5s^25p^3\)
Wichtige Oxidationsstufen +III und +V, in den Hydriden −III
Vorkommen vor allem als Sulfide: Arsenkies \(\ce{FeAsS}\), Auripigment \(\ce{As2S3}\), Grauspießglanz \(\ce{Sb2S3}\)
Eigenschaften des Elements Halbmetalle mit mehreren Modifikationen (graues und gelbes Arsen)
Wichtige Verbindungen \(\ce{As2O3}\), \(\ce{Sb2O3}\), \(\ce{AsH3}\), \(\ce{SbH3}\), \(\ce{Sb2S3}\), \(\ce{SbF5}\)

Modifikationen

Arsen und Antimon zeigen wie Phosphor Allotropie. Beide Elemente kommen also in mehreren Modifikationen mit unterschiedlichem Bau vor. Beim Arsen stehen sich sogar eine metallische und eine nichtmetallische Form gegenüber.

A Graues Arsen
  • metallisch glänzend, leitet den Strom
  • stabile Modifikation
  • Schichtgitter aus gewellten Sechsringschichten
B Gelbes Arsen
  • nichtmetallisch
  • metastabil, geht unter Licht in graues Arsen über
  • Molekülgitter aus \(\ce{As4}\)-Tetraedern wie im weißen Phosphor

Im Schichtgitter des grauen Arsens ist jedes Atom pyramidal an drei Nachbarn gebunden. So entstehen gewellte Schichten aus Sechsringen. Zwischen den Schichten wirken schwächere Kräfte, und die Elektronen sind teilweise delokalisiert. Daher rühren Glanz und Leitfähigkeit. Man kann sich die Schichten wie gestapelte, gefaltete Eierkartons vorstellen.

Links ein Ausschnitt aus gewellten Sechsringschichten von Arsenatomen, rechts ein Tetraeder aus vier Arsenatomen.

Graues Arsen bildet gewellte Schichten, gelbes Arsen besteht aus As4-Tetraedern.

Auch Antimon bildet mehrere Modifikationen. Stabil ist das metallische graue Antimon mit demselben Schichttyp, daneben gibt es metastabile gelbe und schwarze Formen. Dass Arsen metallische und nichtmetallische Modifikationen bildet und graues Arsen ein Schichtgitter hat, wird im Examen gerne gefragt.

Oxidationsstufen

Mit fünf Valenzelektronen (\(ns^2np^3\)) bevorzugen Arsen und Antimon zwei Stufen. Geben sie nur die drei p-Elektronen ab, erreichen sie +III. Mit allen fünf Elektronen erreichen sie +V. In den Hydriden tragen sie formal −III.

Verbindung Name Oxidationszahl
\(\ce{AsH3}\) Arsan −III
\(\ce{As2O3}\) Arsen(III)-oxid +III
\(\ce{Na3AsO3}\) Natriumarsenit +III
\(\ce{Na3AsO4}\) Natriumarsenat +V
\(\ce{Sb2O3}\) Antimon(III)-oxid +III
\(\ce{H[Sb(OH)6]}\) Antimonsäure +V

Die Zahl folgt aus der Ladungsbilanz. Im Natriumarsenit gilt \(3 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0\), also \(x = +3\). In der Antimonsäure gilt \(+1 + x + 6 \cdot (-1) = 0\), also \(x = +5\).

⚠️ Achtung: Arsenit und Arsenat

Die Endung -it steht für Arsen(III), die Endung -at für Arsen(V). Natriumarsenit enthält daher Arsen in der Stufe +III.

Oxide und Sauerstoffsäuren

Verbrennt Arsen, entsteht Arsen(III)-oxid \(\ce{As2O3}\), das Arsenik. Im Dampf und im kubischen Kristall liegt es als Käfigmolekül \(\ce{As4O6}\) vor. Es ist gebaut wie \(\ce{P4O6}\).

Käfigmolekül aus vier Arsenatomen in Tetraederanordnung, verbrückt über sechs Sauerstoffatome.

Arsen(III)-oxid liegt als As4O6-Käfig vor, gebaut wie P4O6.

Die Oxide von Arsen und Antimon sind amphoter. Das passt zur Zwischenstellung der Halbmetalle.

📖 Definition: Amphoteres Oxid

Ein amphoteres Oxid reagiert sowohl mit Säuren als auch mit Basen zu Salzen. Es steht damit zwischen den sauren Nichtmetalloxiden und den basischen Metalloxiden.

\(\ce{As2O3}\) ist noch überwiegend sauer. Im Überschuss konzentrierter Natronlauge löst es sich zu Arsenit:

\[\ce{As2O3 + 6 OH- -> 2 AsO3^3- + 3 H2O}\]

\(\ce{Sb2O3}\) ist stärker basisch. Es bildet mit Basen Antimonite und mit konzentrierten Säuren Antimon(III)-Salze:

\[\ce{Sb2O3 + 2 OH- + 3 H2O -> 2 [Sb(OH)4]-}\]

\[\ce{Sb2O3 + 6 HCl -> 2 SbCl3 + 3 H2O}\]

In der 15. Gruppe nimmt die Basizität der Oxide mit steigender Ordnungszahl zu. Der Grund ist der wachsende Metallcharakter.

Oxid (+III) Säure-Base-Charakter
\(\ce{N2O3}\) sauer
\(\ce{P4O6}\) sauer
\(\ce{As2O3}\) amphoter, überwiegend sauer
\(\ce{Sb2O3}\) amphoter, stärker basisch
\(\ce{Bi2O3}\) basisch

In Wasser bildet Arsenik die arsenige Säure \(\ce{As(OH)3}\). Sie reagiert durch Protolyse schwach sauer:

\[\ce{As(OH)3 + H2O <=> AsO(OH)2- + H3O+}\]

Arsan und Stiban

Arsen und Antimon bilden die Hydride Arsan \(\ce{AsH3}\) und Stiban \(\ce{SbH3}\). Beide sind flüchtige, sehr giftige Gase mit pyramidalem Bau. Ihre Stabilität nimmt zum Stiban hin weiter ab, wie der Gruppenvergleich der Hydride zeigt.

Sie entstehen mit naszierendem Wasserstoff. Darunter versteht man Wasserstoff im Entstehen, etwa aus Zink und Salzsäure. Er reduziert lösliche Arsen- und Antimonverbindungen:

\[\ce{As2O3 + 6 Zn + 12 H+ -> 2 AsH3 + 6 Zn^2+ + 3 H2O}\]

\[\ce{Sb^3+ + 3 Zn + 3 H+ -> SbH3 + 3 Zn^2+}\]

Darauf beruht die Marsh-Probe. Das Gas wird getrocknet und durch ein beheiztes Glasrohr geleitet. Arsan zerfällt dort in die Elemente. Hinter der Heizstelle schlägt sich ein dunkler Arsenspiegel nieder:

\[\ce{2 AsH3 -> 2 As + 3 H2}\]

Schema eines Gasentwicklungskolbens, an den ein waagerechtes Glasrohr mit Brenner anschließt; hinter dem Brenner ein dunkler Spiegel im Rohr.

Marsh-Probe: Arsan entsteht aus Zink und Salzsäure und zerfällt im beheizten Rohr zum Arsenspiegel.

Antimon liefert ebenfalls einen Spiegel. Nur der Arsenspiegel löst sich in Hypochloritlösung. Am Rohrende verbrennt Arsan bei genügend Luft unter anderem zu Arsentrioxid:

\[\ce{2 AsH3 + 3 O2 -> As2O3 + 3 H2O}\]

Arsen in der Stufe −III gibt leicht Elektronen ab. Arsan wirkt daher in wässriger Lösung reduzierend. Silber-Ionen reduziert es zu metallischem Silber:

\[\ce{AsH3 + 6 Ag+ + 3 H2O -> H3AsO3 + 6 Ag + 6 H+}\]

🎯 Examensrelevant: Verhalten von Arsan

Arsan und Stiban werden im Examen gerne gefragt. Achte auf die drei Reaktionen des Arsans: Zerfall in Arsen und Wasserstoff beim Erhitzen, Verbrennung zu \(\ce{As2O3}\) und reduzierende Wirkung in Lösung.

Sulfide und Halogenide

Aus saurer Lösung fällt Schwefelwasserstoff orangefarbenes \(\ce{Sb2S3}\). Antimonsulfide sind in saurer Lösung schwer löslich. In Ammoniumsulfid-Lösung lösen sie sich dagegen als Thioantimonat, weil Sulfid-Ionen die Rolle der Oxid-Ionen übernehmen:

\[\ce{Sb2S3 + 3 S^2- -> 2 SbS3^3-}\]

Antimonpentafluorid \(\ce{SbF5}\) ist eine sehr starke Lewis-Säure. Es nimmt begierig ein Fluorid-Ion auf und bildet \(\ce{[SbF6]-}\).

Quiz

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Aussage 1

Innerhalb der Stickstoffgruppe werden die Oxide mit steigender Ordnungszahl zunehmend saurer.

Umgekehrt: Die Basizität der Oxide nimmt mit der Ordnungszahl zu, von saurem \(\ce{N2O3}\) bis basischem \(\ce{Bi2O3}\).

Aussage 2

Leitet man Arsan durch ein beheiztes Glasrohr, entsteht durch Zerfall in die Elemente ein Arsenspiegel.

Beim Erhitzen zerfällt \(\ce{AsH3}\) in Arsen und Wasserstoff. Das ist das Prinzip der Marsh-Probe.

Aussage 3

Arsan wirkt in wässriger Lösung als Oxidationsmittel, weil Arsen darin eine hohe Oxidationsstufe hat.

Arsen hat im Arsan die Stufe −III und gibt leicht Elektronen ab. Arsan wirkt reduzierend, etwa gegenüber \(\ce{Ag+}\).

Aussage 4

Antimon(III)-oxid reagiert sowohl mit Basen als auch mit konzentrierten Säuren zu Salzen.

\(\ce{Sb2O3}\) ist amphoter. Mit Lauge bildet es Antimonit, mit konzentrierter Salzsäure \(\ce{SbCl3}\).

Aussage 5

Die stabile Modifikation des Arsens ist metallisch und besitzt ein Schichtgitter aus gewellten Sechsringschichten.

Graues Arsen ist die stabile, metallische Form mit Schichtgitter. Gelbes Arsen ist nichtmetallisch und metastabil.

Aussage 6

In Natriumarsenit liegt Arsen in der Oxidationsstufe +V vor.

Die Endung -it steht für Arsen(III). Im \(\ce{Na3AsO3}\) hat Arsen +III, erst im Arsenat +V.

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