Halogensauerstoffsäuren: Nomenklatur, Anhydride und Struktur
Wie man Halogensauerstoffsäuren und ihre Salze nach der Oxidationsstufe benennt, welche Chloroxide ihre Anhydride sind und wie Chlor- und Iodoxoverbindungen räumlich gebaut sind.
Das Wichtigste in Kürze
- Halogensauerstoffsäuren \(\ce{HXO_n}\) sind Säuren, in denen das Halogen von Sauerstoff umgeben ist und das saure H stets an O gebunden ist.
- Alle Halogene einschließlich Fluor bilden Sauerstoffverbindungen, die vollständige Reihe \(\ce{HXO}\) bis \(\ce{HXO4}\) gibt es aber nur beim Chlor. Von F zu I sinkt die Affinität zu Wasserstoff, die zu Sauerstoff steigt.
- Chlorreihe: Hypochlorit \(\ce{ClO-}\) (+I), Chlorit \(\ce{ClO2-}\) (+III), Chlorat \(\ce{ClO3-}\) (+V), Perchlorat \(\ce{ClO4-}\) (+VII). Beim Iod: \(\ce{HOI}\) hypoiodige Säure, \(\ce{HIO3}\) Iodsäure, \(\ce{HIO4}\) Metaperiodsäure.
- \(\ce{Cl2O}\) ist das gewinkelte Anhydrid der hypochlorigen Säure, \(\ce{Cl2O7}\) das Anhydrid der Perchlorsäure.
- Am Chlor liegen vier Elektronenpaarbereiche: \(\ce{ClO2-}\) gewinkelt, \(\ce{ClO3-}\) trigonal-pyramidal, \(\ce{ClO4-}\) tetraedrisch.
- Orthoperiodsäure \(\ce{H5IO6}\) ist oktaedrisch mit einem Oxo-O und fünf OH-Gruppen ohne Peroxogruppe, Orthoperiodat \(\ce{IO6^5-}\) ist oktaedrisch und fünffach negativ.
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Worum es geht
Halogene bilden mit Sauerstoff eine Familie von Säuren und Salzen, deren Namen und Formeln streng der Oxidationsstufe folgen. Wer die Regeln kennt, ordnet Natriumhypochlorit aus der Desinfektion oder Kaliumiodat aus dem Iodsalz sofort ein. Dazu kommen die passenden Anhydride und der räumliche Bau, den man mit dem VSEPR-Modell ableitet.
Übersicht
In einer Halogensauerstoffsäure ist ein Halogenatom X von Sauerstoffatomen umgeben. Die allgemeine Formel lautet \(\ce{HXO_n}\). Das saure Wasserstoffatom sitzt dabei immer an einem Sauerstoffatom, nie direkt am Halogen. Hypochlorige Säure schreibt man strukturgerecht als \(\ce{HOCl}\), Perchlorsäure als \(\ce{HOClO3}\). \(\ce{HClO}\) und \(\ce{HClO4}\) sind nur die üblichen Kurzformeln.
Sauerstoffverbindungen kennt man von allen Halogenen, auch vom Fluor. Beispiele sind Sauerstoffdifluorid \(\ce{OF2}\) und hypofluorige Säure \(\ce{HOF}\). Fluor ist aber elektronegativer als Sauerstoff. Es kann daher keine positive Oxidationsstufe annehmen, und eine Reihe von Oxosäuren mit steigender Sauerstoffzahl gibt es beim Fluor nicht. Dass Fluor trotzdem Sauerstoffverbindungen bildet, wird im Examen gerne gefragt: Halte „Sauerstoffverbindung existiert“ und „vollständige Säurereihe existiert“ sauber auseinander.
Nicht jedes Halogen bildet also alle Säuren \(\ce{HXO}\) bis \(\ce{HXO4}\). Vollständig ist die Reihe nur beim Chlor. Beim Iod ist eine iodige Säure \(\ce{HIO2}\) nicht beständig. Die Periodsäure liegt bevorzugt als wasserreiche Form \(\ce{H5IO6}\) vor.
Im Gruppengang von Fluor zu Iod verschieben sich die Vorlieben der Halogene. Die Affinität zu Wasserstoff nimmt ab. Mit wachsendem Atomradius wird die H–X-Bindung länger und schwächer, deshalb ist \(\ce{HI}\) der am wenigsten stabile Halogenwasserstoff. Die Affinität zu Sauerstoff nimmt zu. Chloroxide sind energiereiche, explosive Stoffe. Iod bildet dagegen mit \(\ce{I2O5}\) ein beständiges Oxid und kommt in der Natur sogar als Iodat vor.
Nomenklatur
Die Namen richten sich nach der Oxidationsstufe des Halogens. Bezugspunkt ist die einfache „-säure“ mit dem Halogen in +V, also Chlorsäure \(\ce{HClO3}\). Ein Sauerstoffatom weniger ergibt die „-ige Säure“, zwei weniger die „Hypo-…-ige Säure“. Ein Sauerstoffatom mehr ergibt die „Per-…-säure“. Jedes Sauerstoffatom verschiebt die Oxidationsstufe um zwei Einheiten.
| Oxidationsstufe | Säure | Name der Säure | Anion | Natriumsalz |
|---|---|---|---|---|
| +I | \(\ce{HOCl}\) | Hypochlorige Säure | \(\ce{ClO-}\) Hypochlorit | \(\ce{NaClO}\) Natriumhypochlorit |
| +III | \(\ce{HClO2}\) | Chlorige Säure | \(\ce{ClO2-}\) Chlorit | \(\ce{NaClO2}\) Natriumchlorit |
| +V | \(\ce{HClO3}\) | Chlorsäure | \(\ce{ClO3-}\) Chlorat | \(\ce{NaClO3}\) Natriumchlorat |
| +VII | \(\ce{HClO4}\) | Perchlorsäure | \(\ce{ClO4-}\) Perchlorat | \(\ce{NaClO4}\) Natriumperchlorat |
Aus der „-säure“ wird im Salz die Endung -at, aus der „-igen Säure“ die Endung -it. Die Vorsilben Hypo und Per bleiben dabei erhalten.
Rechne zur Kontrolle eine Oxidationsstufe nach. Im Chlorit \(\ce{ClO2-}\) tragen zwei Sauerstoffatome zusammen −4. Die Gesamtladung ist −1, also hat Chlor +III. Natriumhypochlorit schreibt man als \(\ce{NaClO}\) oder strukturnäher als \(\ce{NaOCl}\). Beide Formeln meinen denselben Stoff, den Wirkstoff vieler Bleich- und Desinfektionslösungen.
Die Zuordnung Hypochlorit \(\ce{ClO-}\), Chlorit \(\ce{ClO2-}\), Chlorat \(\ce{ClO3-}\), Perchlorat \(\ce{ClO4-}\) wird im Examen gerne gefragt. Zähle immer die Sauerstoffatome: \(\ce{HClO3}\) ist Chlorsäure und nicht Perchlorsäure, \(\ce{NaClO2}\) ist Natriumchlorit und nicht Natriumhypochlorit.
Für Iod gelten dieselben Regeln. \(\ce{HOI}\) ist die hypoiodige Säure, \(\ce{HIO3}\) die Iodsäure mit dem Anion Iodat \(\ce{IO3-}\). In der Stufe +VII gibt es zwei Periodsäuren. \(\ce{HIO4}\) heißt Metaperiodsäure, \(\ce{H5IO6}\) Orthoperiodsäure. Was die Vorsilben bedeuten, klärt der Abschnitt zur Molekülgeometrie.
Anhydride
Viele Nichtmetalloxide sind formal entwässerte Säuren. Für die Chlorsauerstoffsäuren heißt das: Zu einer Säure gehört ein Oxid, in dem Chlor dieselbe Oxidationsstufe hat.
Ein Säureanhydrid entsteht formal, wenn man einer Säure Wasser entzieht. Umgekehrt liefert es mit Wasser die Säure zurück, ohne dass sich die Oxidationsstufe des Zentralatoms ändert.
Dichloroxid \(\ce{Cl2O}\) enthält Chlor in +I. Es ist daher das Anhydrid der hypochlorigen Säure:
\[\ce{Cl2O + H2O <=> 2 HOCl}\]
Im \(\ce{Cl2O}\) steht der Sauerstoff in der Mitte. Er trägt zwei Bindungen und zwei freie Elektronenpaare, das Molekül ist deshalb gewinkelt gebaut wie Wasser.
Dichlorheptoxid \(\ce{Cl2O7}\) enthält Chlor in +VII. Es ist das Anhydrid der Perchlorsäure:
\[\ce{Cl2O7 + H2O -> 2 HClO4}\]
Man kann sich \(\ce{Cl2O7}\) als zwei \(\ce{ClO3}\)-Tetraeder vorstellen, die ein gemeinsames Sauerstoffatom verbindet. Gewonnen wird es umgekehrt, indem man Perchlorsäure mit \(\ce{P4O10}\) entwässert.
Nicht jedes Chloroxid passt so glatt zu einer Säure. Im Chlordioxid \(\ce{ClO2}\) hat Chlor +IV, eine Stufe ohne eigene Säure. In Lauge disproportioniert es deshalb in Chlorit und Chlorat.
Molekülgeometrie
Den Bau der Oxoanionen leitet man mit dem VSEPR-Modell ab. Am Chlor liegen in allen Chloroxoanionen vier Elektronenpaarbereiche. Mit jedem zusätzlichen Sauerstoffatom wird ein freies Elektronenpaar zum Bindungspartner. Die Anordnung der Paare bleibt tetraedrisch, nur die sichtbare Molekülgestalt ändert sich.
| Teilchen | Sauerstoffatome | Freie Paare am Cl | Molekülgestalt |
|---|---|---|---|
| \(\ce{ClO-}\) | 1 | 3 | zweiatomig, linear |
| \(\ce{ClO2-}\) | 2 | 2 | gewinkelt |
| \(\ce{ClO3-}\) | 3 | 1 | trigonal-pyramidal |
| \(\ce{ClO4-}\) | 4 | 0 | tetraedrisch |
Auch die Säuren folgen diesem Muster. Hypochlorige Säure \(\ce{HOCl}\) ist am Sauerstoff gewinkelt. Perchlorsäure ist um das Chloratom tetraedrisch gebaut. Mit wachsender Zahl an Sauerstoffatomen wird die Cl–O-Bindung kürzer, im Perchlorat ist sie am kürzesten.
Beim Iod sieht es in den niedrigen Stufen genauso aus. Das Iodit-Anion \(\ce{IO2-}\) ist gewinkelt, Iodat \(\ce{IO3-}\) pyramidal mit einem freien Elektronenpaar. Das Metaperiodat \(\ce{IO4-}\) ist wie Perchlorat tetraedrisch. Iod ist jedoch deutlich größer als Chlor. Es kann sich deshalb mit sechs Sauerstoffatomen umgeben, was dem kleinen Chlor nicht gelingt.
Die Orthoperiodsäure \(\ce{H5IO6}\) ist die wasserreichste Form der Periodsäure, die Metaperiodsäure \(\ce{HIO4}\) die um zwei Moleküle Wasser ärmere Form. In beiden hat Iod die Oxidationsstufe +VII.
\[\ce{H5IO6 -> HIO4 + 2 H2O}\]
Die Orthoperiodsäure schreibt man strukturgerecht als \(\ce{IO(OH)5}\). Das Iodatom ist oktaedrisch von sechs Sauerstoffatomen umgeben: ein doppelt gebundenes Oxo-O und fünf OH-Gruppen. Gibt sie alle fünf Protonen ab, entsteht das Orthoperiodat \(\ce{IO6^5-}\). Es ist ebenfalls oktaedrisch und fünffach negativ geladen. Die Oxidationsstufe prüfst du schnell: sechs Sauerstoffatome tragen −12, fünf Wasserstoffatome +5, also bleibt für Iod +VII.
Iodat \(\ce{IO3-}\) enthält Iod in +V und ist pyramidal, es ist also nicht das Orthoperiodat. Orthoperiodsäure enthält außerdem keine Peroxogruppe, denn jedes Sauerstoffatom ist nur an Iod gebunden und höchstens noch an Wasserstoff.
So erkennst du Orthoperiodsäure oder Orthoperiodat unter mehreren Strukturformeln:
- Koordination zählen: Trägt das Iod sechs Sauerstoffatome in oktaedrischer Anordnung, liegt die Ortho-Form vor.
- Wasserstoff und Ladung prüfen: Ein =O und fünf OH-Gruppen ergeben \(\ce{H5IO6}\). Sechs Sauerstoffatome ohne Wasserstoff mit der Ladung 5− ergeben \(\ce{IO6^5-}\).
- O–O-Bindungen ausschließen: Taucht eine Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen auf, ist es ein Peroxid und keine Orthoperiodsäure.
- Abgrenzen: Vier Sauerstoffatome im Tetraeder bedeuten Metaperiodat, drei Sauerstoffatome mit freiem Elektronenpaar bedeuten Iodat.
Wie stark diese Säuren sind und wie kräftig sie oxidieren, behandelt die Einheit zu den Chlorsauerstoffsäuren und ihren Salzen.
Quiz
Aussage 1
In der Chlorigen Säure \(\ce{HClO2}\) ist das saure Wasserstoffatom an ein Sauerstoffatom gebunden.
In allen Halogensauerstoffsäuren sitzt der Wasserstoff am Sauerstoff, strukturgerecht also \(\ce{HOClO}\).
Aussage 2
Das Chlorat-Ion \(\ce{ClO3-}\) ist trigonal-planar gebaut.
Am Chlor liegen drei Bindungen und ein freies Elektronenpaar, das Ion ist daher trigonal-pyramidal.
Aussage 3
Von Fluor zu Iod nimmt die Affinität der Halogene zu Wasserstoff zu.
Sie nimmt ab, weil die H–X-Bindung mit wachsendem Atomradius schwächer wird. Zunehmend ist dagegen die Affinität zu Sauerstoff.
Aussage 4
In der Orthoperiodsäure \(\ce{H5IO6}\) ist das Iodatom oktaedrisch von einem Oxo-Sauerstoff und fünf OH-Gruppen umgeben.
Strukturgerecht lautet die Formel \(\ce{IO(OH)5}\). Eine Peroxogruppe enthält sie nicht.
Aussage 5
Die Säure \(\ce{HClO3}\) trägt den Namen Perchlorsäure.
\(\ce{HClO3}\) ist Chlorsäure mit Chlor in +V. Perchlorsäure ist \(\ce{HClO4}\) mit Chlor in +VII.
Aussage 6
\(\ce{NaClO2}\) ist Natriumchlorit, das Chlor darin hat die Oxidationsstufe +III.
Zwei Sauerstoffatome tragen −4, die Ladung des Anions ist −1, also hat Chlor +III. Natriumhypochlorit wäre \(\ce{NaClO}\).
Aussage 7
Dichlorheptoxid \(\ce{Cl2O7}\) reagiert mit Wasser zu Perchlorsäure.
\(\ce{Cl2O7}\) ist das Anhydrid der Perchlorsäure, beide enthalten Chlor in +VII: \(\ce{Cl2O7 + H2O -> 2 HClO4}\).
Aussage 8
Fluor ist das einzige Halogen, von dem keine Sauerstoffverbindungen bekannt sind.
Auch Fluor bildet Sauerstoffverbindungen, etwa \(\ce{OF2}\) und \(\ce{HOF}\). Ihm fehlt nur eine Oxosäurenreihe mit positiven Oxidationsstufen.
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