Vorlesung Chemie der Nichtmetalle
3. Edelgase
3.2. Clathrathydrate
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Lange bevor die ersten echten Edelgas-Verbindungen erstmals
dargestellt werden konnten, galten die
Clathrate oder Käfigverbindugen oder Eishydrate
als die einzigen 'Verbindungen' der Edelgase.
Es handelt sich hierbei allerdings um sogenannte
Einschlußverbindungen, bei denen die elementaren Edelgase
in die Käfige aus Wassermolekülen eingeschlossen sind.
Die allgemeine Formel der Clathrate vom Typ I
lautet 8 X * 46 H2O (X=Edelgas oder Halogen).
Die Darstellung
dieser Verbindungen ist einfach durch Ausfrieren von Wasser in
Gegenwart von Edelgasen oder Halogenen (z.B. elementarem Chlor)
möglich.
Die Strukturen der Edelgashydrate
bestehen wie normales Eis aus einem H2O-Gerüst, in dem jedes O-Atom
tetraedrisch koordiniert ist. Im Unterschied zu einfachem
Eis bilden sich bei Anwesenheit der Edelgase, die als Template
wirken, Strukturen mit großen Hohlräumen. Im Clathrat-I
handelt es sich um
- Zwei Pentagondodekaeder
(grün),
die aus 12 Fünfecken bestehen und 20 Ecken
aufweisen (Platonischer Körper).
Diese Pentagondodekaeder bilden die kleineren Lücken
mit einem Durchmesser von ca. 520 pm.
- Sechs sogenannte Vierzehnflächner
(rot),
die
2 Sechs- und 12 Fünfecke als Begrenzungsflächen aufweisen
und insgesamt 24 Ecken haben. Diese Polyeder stellen die
großen Lücken dar, ihr Durchmesser beträgt 590 pm.
Diese beiden Polyeder sind Raumteiler,
sie parkettieren den Raum vollständig (fülllen den Raum lückenlos).
| Abb. 3.2.1. Strukturen der Clathrat-Hydrate |
Entsprechend der Templatwirkung der Gäste hängt die Besetzung
dieser Hohlräume von den eingeschlossenen Verbindungen ab:
- Wenn X einfache Edelgase sind, dann sind
alle acht Lücken besetzt so daß sich die allgemein
Formel (6+2)X * 46 H2O ergibt.
- Ist X dagegen ein großes Molekül, dann werden nur die
14-Flächner besetzt und es resultiert die Formel
6 CHCl3 * 46 H2O.
Die Gashydrate finden Verwendung
zur Absorption in genau passende Hohlräume z.B. damit auch zur Trennung verschieden geformter
Kohlenwasserstoffe.
Die Strukturchemie der Clathrasile wird ausführlich im Kap. 8.7 der Vorlesung
Silicatchemie beschrieben.
Es gibt auch intermetallische Phasen mit den Tetrel-Elementen und Alkalimetallen in den Lücken, die
dieselbe Struktur aufweisen, s. z.B.
Kap. 6.2. der
Intermetallischen Phasen.
