Antimon ist seit der Antike bekannt, wurde jedoch oft mit anderen Substanzen verwechselt. Die Ägypter verwendeten natürliches Antimonsulfid (Antimonit, Sb₂S₃) bereits 3000 v. Chr. als schwarzes Augenkosmetik (Kohl). Die Babylonier und Assyrer nutzten Antimon ebenfalls in Schminke und Farbstoffen. Der Name Antimon leitet sich wahrscheinlich vom Arabischen ithmid oder al-'ithmid ab, das Antimonit bezeichnet.
Eine volkstümliche Etymologie führt den Namen manchmal auf die lateinische Kombination anti-monachum (gegen Mönche) zurück, was andeutet, dass Antimon für Mönche giftig war, aber dieser Ursprung ist wahrscheinlich apokryph. Das chemische Symbol Sb stammt vom lateinischen stibium, dem alten Namen für Antimonit.
Metallisches Antimon war im Mittelalter bekannt, obwohl seine Herstellung von alchemistischem Geheimnis umgeben war. Der deutsche Benediktinermönch Basilius Valentinus (1394-1450) beschrieb in seinen alchemistischen Schriften verschiedene Antimonpräparate und deren Eigenschaften. Sein Werk "Der Triumphwagen des Antimons" (veröffentlicht um 1604) detaillierte Methoden zur Reinigung und medizinische Anwendungen von Antimon.
Die Anerkennung von Antimon als eigenständiges chemisches Element erfolgte schrittweise im 18. Jahrhundert. Antoine Lavoisier (1743-1794) nahm es 1789 in seine Liste der chemischen Elemente auf. Antimon wurde ab dem 19. Jahrhundert in bedeutenden Mengen industriell produziert, hauptsächlich für die Metallurgie und Pigmente.
Hinweis::
Antimon ist in der Erdkruste in einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 0,2 ppm vorhanden, was es relativ selten macht, etwa 10-mal seltener als Zinn, aber 10-mal häufiger als Silber. Das Hauptantimonerz ist Antimonit (Sb₂S₃), das etwa 71% Antimon enthält. Sekundäre Erze umfassen Valentinit (Sb₂O₃), Senarmontit (kubisches Sb₂O₃) und Kermesit (Sb₂S₂O).
Die weltweite Antimonproduktion beträgt etwa 150.000 bis 180.000 Tonnen pro Jahr. China dominiert die Produktion mit etwa 60-70% des weltweiten Gesamtvolumens, gefolgt von Russland, Tadschikistan, Bolivien und Südafrika. Diese extreme Konzentration der Produktion in China macht Antimon zu einem hochstrategischen und geopolitisch anfälligen Material.
Antimon wird von der Europäischen Union, den Vereinigten Staaten und anderen großen Volkswirtschaften als kritischer Rohstoff angesehen, aufgrund seiner Bedeutung für den Brandschutz und Batterien, kombiniert mit der extremen geografischen Konzentration seiner Produktion. Das Recycling von Antimon ist bescheiden und macht etwa 10-15% des Angebots aus, hauptsächlich gewonnen aus alten Blei-Säure-Batterien. Die Recyclingrate ist durch die Verdünnung von Antimon in Legierungen und technische Rückgewinnungsschwierigkeiten begrenzt.
Antimon (Symbol Sb, Ordnungszahl 51) ist ein Metalloid der Gruppe 15 des Periodensystems, zusammen mit Stickstoff, Phosphor, Arsen und Wismut. Sein Atom besitzt 51 Protonen, in der Regel 70 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{121}\mathrm{Sb}\)) und 51 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p³.
Antimon ist ein silbergrauer Feststoff mit metallischem Glanz, aber seine Eigenschaften liegen zwischen denen von Metallen und Nichtmetallen, was seine Klassifizierung als Metalloid rechtfertigt. Es hat eine Dichte von 6,69 g/cm³, was es mäßig schwer macht. Antimon kristallisiert in einer rhomboedrischen Struktur, ähnlich wie Arsen. Es ist spröde und brüchig, lässt sich leicht pulverisieren und kann weder gewalzt noch gezogen werden.
Antimon schmilzt bei 631 °C (904 K) und siedet bei 1587 °C (1860 K). Eine einzigartige und wertvolle Eigenschaft von Antimon ist, dass es sich beim Erstarren ausdehnt (volumetrische Ausdehnung von etwa 1,7%), ein seltenes Verhalten, das es mit Wasser, Wismut und Gallium teilt. Diese Eigenschaft wurde historisch für die Herstellung scharfer und präziser Drucklettern genutzt.
Antimon ist ein schlechter Wärme- und Stromleiter, eine charakteristische Eigenschaft von Metalloiden. Es hat einen elektrischen Widerstand, der etwa 400-mal höher ist als der von Kupfer. Antimon widersteht atmosphärischer Korrosion bei Raumtemperatur gut, oxidiert aber langsam in feuchter Luft.
Schmelzpunkt von Antimon: 904 K (631 °C).
Siedepunkt von Antimon: 1860 K (1587 °C).
Antimon dehnt sich beim Erstarren um etwa 1,7% aus, eine seltene und wertvolle Eigenschaft.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Antimon-121 — \(\,^{121}\mathrm{Sb}\,\) | 51 | 70 | 120,903815 u | ≈ 57,21% | Stabil | Das häufigste stabile Isotop von Antimon, das mehr als die Hälfte des Gesamtvorkommens ausmacht. |
| Antimon-123 — \(\,^{123}\mathrm{Sb}\,\) | 51 | 72 | 122,904214 u | ≈ 42,79% | Stabil | Das zweite stabile Isotop von Antimon, das mehr als zwei Fünftel des Gesamtvorkommens ausmacht. |
| Antimon-124 — \(\,^{124}\mathrm{Sb}\,\) | 51 | 73 | 123,905935 u | Synthetisch | ≈ 60,2 Tage | Radioaktiv (β⁻). Aktivierungsprodukt in Kernreaktoren, wird als Tracer verwendet. |
| Antimon-125 — \(\,^{125}\mathrm{Sb}\,\) | 51 | 74 | 124,905253 u | Synthetisch | ≈ 2,76 Jahre | Radioaktiv (β⁻). Spalt- und Aktivierungsprodukt, wird in der industriellen Radiographie verwendet. |
Hinweis::
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Antimon hat 51 Elektronen, die auf fünf Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration ist: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p³, oder vereinfacht: [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p³. Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(18) O(5).
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur elektronischen Abschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Die vollständige 4d-Unterschale ist besonders stabil.
O-Schale (n=5): enthält 5 Elektronen, verteilt als 5s² 5p³. Diese fünf Elektronen sind die Valenzelektronen von Antimon.
Antimon hat 5 Valenzelektronen: zwei 5s²-Elektronen und drei 5p³-Elektronen. Die wichtigsten Oxidationszustände sind -3, +3 und +5. Der +3-Zustand ist am häufigsten, wobei Antimon seine drei 5p³-Elektronen verliert und in Verbindungen wie Antimon(III)-oxid (Sb₂O₃) und Antimon(III)-chlorid (SbCl₃) auftritt.
Der +5-Zustand existiert in stärker oxidierten Verbindungen wie Antimon(V)-oxid (Sb₂O₅) und Antimon(V)-chlorid (SbCl₅), aber diese Verbindungen sind weniger stabil als die von Antimon(III). Der -3-Zustand tritt in metallischen Antimoniden (wie GaSb, InSb) auf, wo Antimon als Elektronenakzeptor wirkt und das Sb³⁻-Ion bildet. Metallisches Antimon entspricht dem Oxidationszustand 0.
Antimon ist bei Raumtemperatur an der Luft relativ stabil und oxidiert langsam zu einer dünnen, schützenden Oxidschicht. Bei hohen Temperaturen (über 400 °C) verbrennt Antimon in der Luft mit einer hellen, weißen Flamme und bildet Antimon(III)-oxid (Sb₂O₃), das als weißer Rauch freigesetzt wird: 4Sb + 3O₂ → 2Sb₂O₃. Dieser weiße Rauch wurde historisch für theatralische Effekte genutzt.
Antimon reagiert mit Halogenen zu Trihalogeniden oder Pentahalogeniden: 2Sb + 3Cl₂ → 2SbCl₃ (Trichlorid) oder 2Sb + 5Cl₂ → 2SbCl₅ (Pentachlorid). Antimon(III)-chlorid ist eine rauchende, hygroskopische Flüssigkeit, die in der chemischen Synthese verwendet wird. Antimon widersteht nicht oxidierenden Säuren, löst sich aber in konzentrierter Salpetersäure und Königswasser.
Mit geschmolzenen starken Basen reagiert Antimon zu Antimonaten. Antimon(III)-sulfid (Sb₂S₃), das natürliche Erz Antimonit, ist eine wichtige Verbindung mit einer dunkelgrauen metallischen Farbe. Es wurde historisch als Pigment, Kosmetik und medizinisches Heilmittel verwendet.
Die dominierende Anwendung von Antimon, die etwa 60% der weltweiten Nachfrage ausmacht, ist Antimon(III)-oxid (Sb₂O₃), das als Synergist für halogenierte Flammschutzmittel verwendet wird. Obwohl Antimon(III)-oxid selbst kein wirksames Flammschutzmittel ist, wirkt es in Synergie mit bromierten oder chlorierten Verbindungen, um die Verbrennung von Polymerwerkstoffen deutlich zu hemmen.
Der Mechanismus beinhaltet die Bildung flüchtiger Antimon-Trihalogenide (SbCl₃, SbBr₃) bei hohen Temperaturen, die mit den radikalischen Flammenreaktionen in der Gasphase interferieren und das Feuer effektiv löschen. Diese Antimon-Halogen-Kombination ist besonders wirksam und wirtschaftlich und ermöglicht die Einhaltung von Brandschutznormen für Kunststoffe, Textilien, Schäume und elektronische Geräte.
Ein typischer Fernseher enthält 5-10 Gramm Antimon(III)-oxid in seinen Kunststoffkomponenten, ein Computer 3-5 Gramm, was eine massive Nachfrage schafft. Umwelt- und Gesundheitsbedenken hinsichtlich halogenierter Flammschutzmittel (Toxizität, Bioakkumulation, Dioxinbildung bei der Verbrennung) haben jedoch zu schrittweisen Einschränkungen in bestimmten Anwendungen geführt, was die Nachfrage nach Antimon beeinflusst.
Die zweite wichtige Anwendung von Antimon ist als Härter in Blei-Legierungen für Blei-Säure-Batterien. Die Zugabe von 2-5% Antimon zu Blei erhöht dessen Härte, mechanische Festigkeit und Gießbarkeit deutlich, Eigenschaften, die für die positiven Gitter von Batterien essenziell sind, die über Jahre Korrosion und mechanischem Stress standhalten müssen.
Blei-Antimon-Batterien zeigen eine bessere Leistung bei hohen Temperaturen und eine längere Lebensdauer im Vergleich zu antimonfreien Batterien. Sie leiden jedoch unter schnellerer Selbstentladung und höherem Wasserverbrauch (Hydrolyse), was regelmäßige Wartung erfordert. Moderne Fahrzeugbatterien verwenden oft Blei-Kalzium-Legierungen ohne Antimon, um den Wartungsaufwand zu reduzieren.
Industriebatterien, Schwerlast-Starterbatterien, Telekommunikations- und Traktionsbatterien (Gabelstapler, U-Boote) verwenden weiterhin überwiegend Blei-Antimon-Legierungen wegen ihrer überlegenen Leistung. Diese Anwendung macht etwa 20-25% der weltweiten Antimonnachfrage aus.
Antimon und seine Verbindungen zeigen je nach chemischer Form eine moderate bis hohe Toxizität. Antimon(III)-oxid (Sb₂O₃) ist von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) als möglicherweise karzinogen für den Menschen (Gruppe 2B) eingestuft. Die Exposition erfolgt hauptsächlich durch Einatmen von Staub in metallurgischen und verarbeitenden Industrien.
Akute Antimon-Exposition verursacht Reizungen der Augen, Haut und Atemwege, Übelkeit und Erbrechen. Chronische Exposition kann zu Lungenproblemen (Pneumokoniose), kardiovaskulären und dermatologischen Problemen führen. Die Effekte sind denen von Arsen ähnlich, wenn auch generalmente weniger schwerwiegend.
Antimon reichert sich in der Umwelt an, insbesondere in Böden in der Nähe von Minen und Schmelzhütten. Die Kontamination von Wasser durch Antimon aus industriellen Quellen und der Auslaugung von Abfällen stellt in einigen Regionen ein Problem dar. Trinkwasserstandards setzen den Grenzwert in der Regel auf 5-6 µg/L.
Antimon wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) synthetisiert, mit geringen Beiträgen des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) während Supernovae und Neutronensternfusionen. Die beiden stabilen Antimon-Isotope werden durch diese Prozesse produziert.
Die kosmische Häufigkeit von Antimon ist extrem niedrig, etwa 3×10⁻¹¹ mal so hoch wie die von Wasserstoff in der Atomzahl, was es zu einem der seltensten Elemente im Universum macht. Diese extreme Seltenheit erklärt sich durch mehrere Faktoren: Antimon hat eine ungerade Anzahl von Protonen (51), was es weniger stabil macht als Elemente mit gerader Protonenzahl, und liegt in einer ungünstigen Region der Kernstabilitätskurve.
Die Spektrallinien von neutralem Antimon (Sb I) und ionisiertem Antimon (Sb II) sind aufgrund der sehr geringen kosmischen Häufigkeit dieses Elements extrem schwer in Sternspektren zu beobachten. Dennoch wurden Spuren von Antimon in einigen chemisch peculiaren Sternen nachgewiesen, die extrem mit s-Prozess-Elementen angereichert sind, was die Untersuchung der Nukleosyntheseprozesse in entwickelten AGB-Sternen ermöglicht.
