22.6.6. Die Kristallstruktur von Iod
Das Element Iod gehört zur Gruppe der Halogene. Seine Formel ist I2. Außerhalb des wissenschaftlichen Bereichs ist auch die Schreibweise Jod üblich.
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Ansehen : Starten Sie die JSmol–Visualisierung durch Anklicken des Links unter Bild 2. Schalten Sie zwischen Kugel–Stab–Darstellung, Kalottendarstellung und Nur–Bindungs–Darstellung um.
Iod hat eine Schichtstruktur
Bild 3 : Schichten des Iodkristalls von oben. Ein Iodatom und seine 4 nächsten Nachbarn sind blau markiert.
Bild 4 : Die Schichten des Iodkristalls von der Seite. Der Abstand zwischen den Schichten ist größer als der Abstand von Molekülen in derselben Schicht.
Was heißt das ? Die Iodmoleküle sind im Kristall nicht kreuz und quer, sondern in Schichten oder Ebenen angeordnet. Innerhalb einer Ebene liegen die Iodmoleküle ziemlich dicht nebeneinander. Zwischen den Ebenen ist ein größerer Abstand.
Sehen Sie sich dazu die JSmol–Visualisierung an. Beim Start schauen Sie von oben auf eine Ebene. Die Moleküle liegen nah beieinander. Der Abstand zwischen den Iodatomen benachbarter Moleküle ist kaum größer als der innerhalb eines Moleküls.
In der JSmol–Visualisierung können Sie ein Iodatom mit seinen 4 nächsten Nachbarn blau markieren. Einer der Nachbarn ist an das zentrale Iodatom gebunden. 2 weitere Nachbarn gehören zu anderen Iodmolekülen. Trotzdem ist der Abstand zwischen ihnen und dem zentralen Iodatom nicht größer als zwischen den Iodatomen im Molekül. Nur der vierte Nachbar (links unten) ist ein wenig weiter entfernt (Bild 3).
Noch deutlicher sehen Sie das, wenn Sie zur Kalottendarstellung umschalten.
Wählen Sie nun den Knopf „von der Seite”. Sie sehen jetzt von der Seite auf 6 übereinanderliegende Ebenen. Der Abstand zwischen Iodatomen aus benachbarten Ebenen ist deutlich größer als der zwischen Iodatomen aus benachbarten Molekülen der gleichen Ebene (Bild 4).
Was hat die Schichtstruktur für Auswirkungen auf die Eigenschaften von Iod ?
Iod ist ein Halbleiter
Iodatome sind relativ groß. Die Bindungselektronen bewegen sich also eher weit von den Atomkernen entfernt. Dadurch sind die Anziehungskräfte zwischen Bindungselektronen und Atomkernen eher schwach, denn sie nehmen ja mit dem Quadrat der Entfernung ab. Die Bindungselektronen sind nur locker gebunden und können sich leicht mal „selbstständig” machen.
Die Bindungselektronen können sich für einen kurzen Moment mehr in der Nähe des einen Iodatoms aufhalten. Es hat für diesen Moment dort eine negative Teilladung. Diese Erscheinung nennt man induzierte Dipole. Sie ist der Grund für die zwischen den Iodmolekülen wirkenden van–der–Waals–Kräfte, die den Zusammenhalt des Kristalls bewirken.
Bild 5 : Ein Bindungselektron überwindet die Anziehungskräfte in seinem Molekül und springt zum Nachbarmolekül. Ungleichmäßige Ladungsverteilung ist die Folge. Sie wird durch das Plus– und das Minuszeichen symbolisiert.
Bild 6 : Die Ladungsverteilung gleicht sich aus, indem weitere Elektronen durch den Iodkristall wandern.
Durch die Umgebungstemperatur und Lichteinstrahlung haben einige wenige Bindungselektronen genug Energie, um die nicht allzu starken Anziehungskräfte zu den Atomkernen zu überwinden. Diese Elektronen werden dann von einem der Nachbarmoleküle eingefangen. Das geht leicht, denn sie sind ja nicht allzu weit entfernt. Bild 5 zeigt diesen Schritt. Es entsteht so eine ungleichmäßige Ladungsverteilung, die weitere Elektronenwanderungen zur Folge hat (Bild 6). Durch den Iodkristall bewegen sich Elektronen. Es findet also ein geringer Stromfluss statt. Iod ist ein schwacher elektrischer Leiter.
Die Leitfähigkeit wächst bei steigenden Temperaturen. Das ist leicht zu verstehen. Es ist mehr Energie vorhanden, und damit auch mehr energiereiche Elektronen, die die Anziehungskräfte zu den Atomkernen überwinden können. Damit zeigt Iod nicht das Verhalten von metallischen Leitern, bei denen die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur sinkt, sondern das von Halbleitern.
Iod ist also ein Halbleiter. Bei 25° C beträgt seine spezifische elektrische Leitfähigkeit 0,77 ⋅ 10–9 Ohm–1cm–1.
Iod ist nur ein sehr schwacher Halbleiter
Vergleichen Sie die spezifische elektrische Leitfähigkeit von Iod mit der von anderen Stoffen, jeweils bei 25° C.
- Iod : 0,77 ⋅ 10–9 Ohm–1cm–1
- Kupfer (der beste metallische Leiter) : 5,96 ⋅ 105 Ohm–1cm–1
- Silizium (ein bekannter Halbleiter) : 2,52 ⋅ 10–6 Ohm–1cm–1
- Graphit (er hat wie Iod eine Schichtstruktur) : Hier beträgt die Leitfähigkeit parallel zu den Schichten 2,6 ⋅ 104 Ohm–1cm–1
Die Leitfähigkeit von Iod ist also um mehr als 13 Zehnerpotenzen geringer als im Graphit. Der Grund dafür ist schnell gefunden. Im Graphit liegen innerhalb der Schichten kovalente Bindungen vor, innerhalb derer sich die Elektronen frei bewegen können. In den Schichten des Iodkristalls kann nur mal hier und da ein Elektron, das zufällig genug Energie hat, zum Nachbarmolekül springen. Dieser Mechanismus der Elektronenbewegung ist sehr wenig effektiv.
Senkrecht zu den Schichten ist Iod nicht leitfähig
Die Abstände zwischen den Iodmolekülen sind viel größer als innerhalb der Schichten. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bindungselektron genug Energie hat, um zu einem Iodmolekül in einer anderen Schicht zu springen, ist viel geringer als für denselben Vorgang in derselben Schicht.
Iod ist metallisch glänzend
Bild 7 : Kleine Iodkristalle auf einem Uhrglas. Die größten Kristalle auf dem Bild sind etwa 5 mm groß.
Dazu hier nur der Anfang einer Erklärung. Der metallische Glanz der Metalle hat seinen Grund in den Leitungselektronen (nicht in den Elektronen an den Atomrümpfen). Sie reflektieren eine bestimmte Frequenz des eingestrahlten Lichtes, was die besondere Farbe der Metalle hervorruft, und sie reflektieren es in eine Richtung, was den Glanz bewirkt. Da auch im Iodkristall eine, wenn auch geringe elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist, sind die Gründe für den Glanz dieselben. Gleiches gilt übrigens auch für Graphit. Bild 7 zeigt den Glanz und die Farbe der Iodkristalle.
Iod hat mehrere Modifikationen
Alles, was bisher gesagt wurde, gilt für die gewöhnliche, unter Normalbedingungen stabile Modifikation des Iods. Daneben gibt es noch 2 weitere Modifikationen von Iod. Bei einem Druck von ca. 16 GPa (160.000 at) bildet sich eine erste, bei ca. 22 GPa (220.000 at) eine weitere Hochdruckmodifikation. Letztere ist metallisch leitend.
Chlor, Brom und Iod
An dieser Stelle haben Sie ganz nebenbei eine Menge über festes Chlor und Brom erfahren. Beide Elemente haben dieselbe Kristallstruktur wie Iod. Allerdings ist die Leitfähigkeit um viele Größenordnungen geringer, denn Chlor– und Bromatome sind wesentlich kleiner als Iodatome.
physikalische Eigenschaften
- Schmelzpunkt : 113,6 °C
- Siedepunkt : 185,2 °C
- Dichte bei 20 °C : 4,94 g/cm3
- Löslichkeit in Wasser bei 20 °C : 0,33 g/l
- CAS-Nr. : 7553-56-2
Literatur
Iod : L–228
Infobereich
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