Lernhilfen zu Skript 'Teil D'

Atombindung, Ionenbindung, Metallische Bindung
Edelgase: Eigenschaften und Verwendung (SEILNACHT)

Eigenschaften und Verwendung von Edelgasen, mit Abbildungen wie im Unterricht; mit Klick auf den grünen Pfeil kommt man zum nächsten Element:

Periodensystem (SEILNACHT)

Oktettregel: Video (MUSSTEWISSEN CHEMIE)

Das folgende Video (6:29 min) erklärt, auf welche Art alle Atome – durch chemische Bindung mit anderen Atomen – erreichen, wie Edelgasatome zu sein und damit die Edelgasregel (Oktettregel) zu erfüllen:

Quelle: YouTube ("musstewissen Chemie", 6:29 min).

Atombindung: Kugel-Wolken-Modell (MAISENBACHER)

Einfache Moleküle (Cl2, H2, O2, N2, CO2, H2O, HBr) im Kugel-Wolken-Modell und mit Lewis-Formel:

PDF-Datei mit 7 Folien (Quelle: MAISENBACHER)

Molekülgeometrie: interaktive Animation (PhET), empfohlen

Der Einfluss nichtbindender Elektronenpaare (Modell)

  1. Wähle bei der folgenden Webseite "Modell" und füge mit der Maus bzw. mit dem Finger eine nichtbindende Elektronenwolke hinzu (vgl. Screenshot unten). Wie verändert sich die Geometrie bzw. der Bindungswinkel?
  2. Drehe das Molekül bei Bedarf. Wiederhole den Vorgang mit weiteren nichtbindenden Elektronenwolken.
  3. Wähle "Alle entfernen" und experimentiere weiter, indem du zusätzliche Bindungen und nichtbindende Elektronenpaare hinzufügst. Wie sieht jetzt die Geometrie bzw. der Bindungswinkel aus?

    Benutzeroberfläche für die interaktive Animation zur Molekülgeometrie (PhET, University of Colorado, Boulder)

    Benutzeroberfläche für die interaktive Animation zur Molekülgeometrie (PhET, University of Colorado, Boulder)

  4. Öffne nun die Webseite "Molekülgeometrie" (PhET, University of Colorado, Boulder) und führe die obigen Schritte 1–3 aus.

Der Einfluss nichtbindender Elektronenpaare (Reale Moleküle)

  1. Wenn du ganz unten auf der Webseite "Reale Moleküle" wählst, dann können die Moleküle aus dem Skript (S. 7) – nämlich CH4, NH3, H2O, CO2 – ausgewählt und mit der Maus bzw. mit dem Finger gedreht und somit von verschiedenen Seiten betrachtet werden. Am selben Ort könnten noch weitere, im Unterricht nicht behandelte Moleküle dargestellt werden, wovon ich jedoch abrate: Diese Moleküle erfüllen die Oktettregel und/oder einen weiteren Aspekt nicht, was dich nur verwirren würde.
  2. Stelle über die Einstellungen sicher, dass die nichtbindenden Elektronen immer dargestellt werden:

    Benutzeroberfläche für die interaktive Animation zur Molekülgeometrie unter Darstellung der nichtbindenden Elektronenpaare (PhET, University of Colorado, Boulder)

    Benutzeroberfläche für die interaktive Animation zur Molekülgeometrie unter Darstellung der nichtbindenden Elektronenpaare (PhET, University of Colorado, Boulder)

  3. Öffne nun die Webseite "Molekülgeometrie" (PhET, University of Colorado, Boulder) und lass die Moleküle der Aufgabe 1 darstellen.
3-D-Moleküle: Aufgabe 3, S. 7 (PURDUE UNIVERSITY, STOLAF), empfohlen

Die folgenden Moleküle aus dem Skript (S. 7, Aufg. 3) können mit der Maus bzw. mit dem Finger gedreht und somit von verschiedenen Seiten betrachtet werden. Überzeuge dich von der Molekülgeometrie (Molekül-Animation via JSmol: Purdue University und STOLAF).

(i) Fluor (F2)

(ii) Bromwasserstoff (HBr)

(iii) Dichlormethan

(iv) Blausäure (HCN)

(v) Ethen

(vi) Methanol

Ionenbildung: Reaktion von Na und Cl im Schalenmodell: Animation (CHEMIE INTERAKTIV)

Animation und Erklärung der Vorgänge (Ionenbildung, Ionenbindung) mit dem Schalenmodell bei der Reaktion von Natrium mit Chlor. Drücke auf das Pfeil-Symbol, um die Animation zu starten.

Animation (CHEMIE-INTERAKTIV)

Ionenbindung: Synthese von NaCl: Animation und Realvideo (CHEMIE INTERAKTIV), empfohlen

Erklärung der Vorgänge (Ionenbildung, Ionenbindung) bei der Reaktion von Natrium mit Chlor im Modell (Animation) und mit einem Realvideo. Drücke auf das Pfeil-Symbol, um die Animation zu starten.

Animation (CHEMIE-INTERAKTIV)

Ionenladung und Salzformel bestimmen: Übung (CHEMIEUNTERRICHT.CH), empfohlen

Auf der folgenden Website liegen 3 Übungen vor, wo du zeigen kannst, dass du mithilfe des PSE in der Lage bist, die Ionenladungen und die Salzformel, aber auch den Namen des Salzes und die stöchiometrischen Koeffizienten der Reaktionsgleichung zur Synthese des entsprechenden Salzes zu bestimmen. Beachte die Hilfemöglichkeiten:

Benutzeroberfläche für die interaktive Übung zur Bestimmung von Ionenladung, Salzformel, Salznamen und stöchiometrischen Faktoren für die Synthese eines gegebenen Salzes (Chemieuntericht.ch)

Benutzeroberfläche für die interaktive Übung zur Bestimmung von Ionenladung, Salzformel, Salznamen und stöchiometrischen Faktoren für die Synthese eines gegebenen Salzes (Chemieuntericht.ch)

Interaktive Übung (Chemieuntericht.ch)

Ionenbindung: Video (MUSSTEWISSEN)

Das folgende Video (7:52 min) dient der Repetition des Ionenbegriffs bzw. der Ionenbildung und -bindung:

Quelle: YouTube ("musstewissen Chemie", 8:55 min).

Metallische Bindung und Eigenschaften von Metallen: Animationen (MAISENBACHER)

Eigenschaften von Metallen (Übersicht)

  • glänzen typisch
  • sind verformbar (duktil)
  • sind gute Wärmeleiter
  • leiten als Feststoffe elektrischen Strom
  • mit steigender Temperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit ab
  • ihre Legierungen sind oft härter als die reinen Metalle

Eigenschaften von Metallen: Metallischer Glanz (Blechbüchse), Verformbarkeit (Kupferblech), hohe Wärmeleitfähigkeit (Münze über Flamme) und elektrische Leitfähigkeit (Elektrokabel aus Kupfer)

Eigenschaften von Metallen: Klicke auf das Bild für mehr Infos. (Quelle: MAISENBACHER)

Die metallische Bindung

Die meisten der obigen Eigenschaften sind mit dem Konzept der metallischen Bindung zu erklären:

Metallgitter aus positiv geladenen Atomrümpfen und delokalisierten Elektronen beim Metall Lithium

Metallgitter bei Lithium: Verband aus Atomrümpfen (grau) und Valenzelektronen (blau; 1 Valenzelektron pro Li-Atom). Unter dem Atomrumpf versteht man das Atom ohne seine äusserste Schale, also ohne Valenzelektronen. Da das Lithium-Atom 1 Valenzelektron hat, muss der Li-Atomrumpf einfach positiv geladen sein. Bei Metallen werden – aufgrund der tiefen Elektronegativität – die Valenzelektronen von den Atomrümpfen nur schwach angezogen. (Bildquelle: MAISENBACHER)

Elektrongas-Modell beim Metall Lithium: Die negativ geladenen Valenzelektronen, welche delokalisiert, d. h. frei beweglich vorliegen und deshalb in ihrer Summe auch als <em>Elektronengas</em> bezeichnet werden, bewirken den Zusammenhalt der positiv geladenen Atomrümpfe im Gitter und damit die <em>metallische Bindung</em>.

Elektrongas-Modell beim Metall Lithium (klick auf das Bild für eine vergrösserte Ansicht): Die negativ geladenen Valenzelektronen, welche delokalisiert, d. h. frei beweglich vorliegen und deshalb in ihrer Summe auch als Elektronengas bezeichnet werden, bewirken den Zusammenhalt der positiv geladenen Atomrümpfe im Gitter und damit die metallische Bindung. (Bildquelle: MAISENBACHER)

Verformbarkeit (Duktilität)

Verformbarkeit von Metallen: Wirkt eine äussere Kraft (hier von der Seite) auf ein Metallstück ein, so bricht dieses nicht entzwei, sondern es lässt sich schmieden bzw. verformen. Offenbar müssen sich die Atome bzw. die Atomrümpfe gegeneinander verschieben lassen können.

Verformbarkeit von Metallen: Wirkt eine äussere Kraft (hier von der Seite) auf ein Metallstück ein, so bricht dieses nicht entzwei, sondern es lässt sich schmieden bzw. verformen. Offenbar müssen sich die Atome bzw. die Atomrümpfe gegeneinander verschieben lassen können. (Bildquelle: MAISENBACHER)

Verformbarkeit von Metallen am Beispiel von Lithium (klick auf das Bild für eine vergrösserte Ansicht): Wirkt eine äussere Kraft (hier von oben) auf ein Metallstück ein, so verschieben sich die Atomrümpfe gegeneinander. Das Metallstück bricht nicht entzwei, da die frei beweglichen Valenzelektronen diese Bewegung mitmachen können und die Atomrümpfe weiterhin zusammenhalten.

Verformbarkeit von Metallen am Beispiel von Lithium (klick auf das Bild für eine vergrösserte Ansicht): Wirkt eine äussere Kraft (hier von oben) auf ein Metallstück ein, so verschieben sich die Atomrümpfe gegeneinander. Das Metallstück bricht nicht entzwei, da die frei beweglichen Valenzelektronen diese Bewegung mitmachen können und die Atomrümpfe weiterhin zusammenhalten. (Bildquelle: MAISENBACHER)

Elektrische Leitfähigkeit

Strom ist nichts anderes als ein Fluss von Ladungen (Elektronen, Ionen). Falls Elektronen an einer Stelle von aussen zugeführt werden (Stromquelle: Minuspol, links in der Abb.), werden an anderer Stelle des Metalls Elektronen wieder weggeführt (Pluspol, rechts in der Abb.). Dies ist möglich, da bei Metallen die Valenzelektronen frei beweglich sind. Der Stromfluss bedeutet also eine Verschiebung der Elektronen innerhalb des Metallgitters.

Strom ist nichts anderes als ein Fluss von Ladungen (Elektronen, Ionen). Falls Elektronen an einer Stelle von aussen zugeführt werden (Stromquelle: Minuspol, links in der Abb.), werden an anderer Stelle des Metalls Elektronen wieder weggeführt (Pluspol, rechts in der Abb.). Dies ist möglich, da bei Metallen die Valenzelektronen frei beweglich sind. Der Stromfluss bedeutet also eine Verschiebung der Elektronen innerhalb des Metallgitters. (Bildquelle: MAISENBACHER)

Elektrische Leitfähigkeit von Metallen: Animation (CHEMIE INTERAKTIV), empfohlen

Animation des Stromflusses und Abhängigkeit von der Temperatur:

  1. Wähle "1. Metallische Leiter".
  2. Wähle dann "Modelldarstellung I".

    3. Benutzeroberfläche für die interaktive Animation zur elektrischen Leitfähigkeit von Metallen (CHEMIE-INTERAKTIV)

  3. Gehe nun zur interaktiven Animation (CHEMIE-INTERAKTIV):

    • Schalte den Strom ein und dann die Wärmezufuhr mehrmals ein und dann wieder aus.
    • Achte dabei nicht nur auf die dargestellten Teilchen, sondern auch auf die Anzeige der Stromstärke, welche in Ampere (A) angegeben wird.
Polare Bindung und zwischenmolekulare Kräfte (ZMK)
Polare Bindung und Elektronegativität: Video (EINFACH ERKLÄRT)

Das folgende Video (3:48 min) dient der Repetition des Konzepts der polaren bzw. unpolaren Bindung und der dahinterstehenden Elektronegativität (EN):

Quelle: YouTube ("einfach erklärt", 3:48 min).

Dipolmoleküle: Video (EINFACH ERKLÄRT)

Das folgende Video (4:50 min) erklärt nochmals, wann ein Dipolmolekül vorliegt und wann nicht:

Quelle: YouTube ("einfach erklärt", 4:50 min).

Dipol-Dipol-Kräfte: Video (SIMPLECLUB)

Dieses Video (3:09 min, SimpleClub) repetiert das Konzept der Dipol-Dipol-Kräfte (DD-Kräfte), welche eine Form von Anziehungskräften (ZMK) zwischen Dipolmolekülen darstellen.

Wasserstoffbrücken: Video (SIMPLECLUB)

Dieses Video (4:11 min, SimpleClub) dient der Repetition der Wasserstoffbrücken (H-Brücken), welche eine Form von Anziehungskräften (ZMK) zwischen Dipolmolekülen mit hohem Dipolmoment darstellen.

Hinweis: Wir betrachten – im Unterschied zu den Autoren der Videos – Chlor nicht als Atomsorte, die eine H-Brückenbildung ermöglicht. Für uns sind das nur die "NOF"-Atome.

Van-der-Waals-Kräfte: Video (EINFACH ERKLÄRT)

Das folgende Video (4:07 min) dient der Repetition der Van-der-Waals-Kräfte (VdW-Kräfte), welche die einzige Form von Anziehungskräften (ZMK) zwischen unpolaren Molekülen darstellen, aber zwischen allen Molekülen auftreten:

Quelle: YouTube ("einfach erklärt", 4:07 min).

Warum ist Eis weniger dicht als Wasser und schwimmt auf selbem? (OCTAN), empfohlen

  1. Stelle in dieser JSmol-Animation (OCTAN) sowohl im flüssigen Wasser und im Eis die H-Brücken dar und betrachte in beiden Fällen die Struktur. Welche Darstellung (links oder rechts) zeigt also das Eis?
  2. Stoppe nun die Rotation und zähle die Anzahl H-Brücken pro H2O-Molekül.
  3. Warum ist also Eis weniger dicht und schwimmt auf flüssigem Wasser?

Lösung
  1. In der rechten Abbildung erkennt man, dass ein regelmässiges Muster vorliegt, wie die Wasserstoffbrücken im Raum ausgerichtet sind (zudem erkennt man jeweils auch die sechseckige Grundstruktur, zu der sich sechs H2O-Moleküle anordnen). Daraus folgt, dass die H2O-Moleküle selbst regelmässig angeordnet vorliegen, d. h. ein Molekülgitter bilden müssen (= Eis).
  2. Rechts beim Eis weist jedes H2O-Molekül im Innern des Gitters die maximale Anzahl H-Brücken auf: 2 H-Brücken ausgehend von den zwei positiv polarisierten H-Atomen (aktive Stellen) und 2 H-Brücken ausgehend von den zwei nicht-bindenden Elektronenpaaren am negativ polarisierten O-Atom (passive) Stellen. Beim flüssigen Wasser (links) haben die Wassermoleküle eine unterschiedliche Anzahl von H-Brücken: meist 2, seltener 1, 3 oder 4 H-Brücken. Der Grund ist, dass durch die Eigenbewegung (Wärmebewegung) der Moleküle einerseits sich dauernd H-Brücken lösen, andererseits aber auch an anderen Stellen im Molekül wieder neue bilden.
  3. Bei Eis führt die Ausbildung von 4 H-Brücken pro H2O-Molekül durch die gewinkelte Struktur des Moleküls zu einer ausgesprochen lockeren Anordnung der Wassermoleküle im Gitter und damit zur geringen Dichte von Eis. Bei flüssigem Wasser können die H2O-Moleküle durch die geringere Anzahl der ausgebildeten H-Brücken näher zusammenrücken, was die Dichte gegenüber Eis erhöht. Da ein Feststoff auf einer Flüssigkeit mit höherer Dichte immer schwimmt, schwimmt auch Eis (ρ = 0.92 g/cm3) auf Wasser (ρ = 1.00 g/cm3, T = 0 °C).
Salze und ihre Eigenschaften
Ionenverbindungen: Video (MUSSTEWISSEN)

Das folgende Video (4:54 min) dient der Repetition des Ionenbegriffs bzw. der Ionenbildung:

Quelle: YouTube ("musstewissen Chemie", 4:54 min).

Lösen eines Salzes in Wasser: Video (CHEMIE INTERAKTIV), empfohlen

Das folgende Video basiert auf einer Animation, welche auf "Chemie interaktiv" zu finden war (© R.-P. Schmitz). Die auf der veralteten Adobe-Flash-Technik basierende Animation wurde per Screenrecording durch ein Video ersetzt. Eine um Erklärungen reduzierte Animation (HTML5) findet sich hier.

Eigenschaften von Salzen: Video (EINFACH ERKLÄRT)

Das folgende Video (4:16 min) dient der Repetition der folgenden Eigenschaften von Salzen: Härte, Sprödigkeit, elektrische Leitfähigkeit sowie Schmelz- und Siedetemperatur.

Das Video erwähnt zwar die Abhängigkeit der Gitterkräfte von der Ionenladung und der Ionengrösse, geht aber leider auf diese nicht näher ein (die entsprechende Vertiefung findest du nur im Skript).

Quelle: YouTube ("einfach erklärt", 4:16 min).

Lernhilfen
ch-mau