10d 2019 20/Chemie

Diejenigen unter euch, die in der Oberstufe Chemie belegt haben, sollten diese Aufgaben wirklich bearbeiten. Bitte meldet mir Unklarheiten auch möglichst zeitnah zurück. Für diejenigen, die kein Chemie belegt haben, können die Aufgaben trotzdem ganz nützlich sein. Vor allem in der ersten Hälfte der elften Klasse in Biologie wird oft auf die chemischen Grundlagen bestimmter Stoffwechselreaktionen zurückgegriffen.

Arbeitsauftrag 27.04.

Säure-Base-Reaktionen

Normalerweise würde ich das Kapitel "Säure-Base-Reaktion" sehr ausführlich behandeln. Ich beschränke mich während des Home-Schoolings auf absolute Grundlagen.

Einstieg/Wiederholung

Versucht im folgenden Bild möglichst genau zu beschreiben, was die eingekringelten Symbole bedeuten sollen. (In beiden Fällen wird das gleiche symbolisiert, es sind nur unterschiedliche Varianten.) In eurer Beschreibung sollte der Begriff "Elektronegativität (EN)" vorkommen.

Am besten macht ihr das wirklich schriftlich, damit ihr eure Lösung mit der hier angegebenen nachträglich gut überprüfen könnt!

Lösung

Die eingekreisten Symbole stehen für eine "polare Atombindung".
Beide Begriffe, polar und Atombindung, sollte man nun erklären.
Eine Atombindung entsteht, wenn zwei Atome jeweils ein Elektron zur Verfügung stellen und dieses Elektronenpaar sich zwischen den beiden Atomkernen aufhalten kann und dadurch zu einer Anziehung der beiden Partner führt.
Polar sind Atombindungen dann, wenn einer der beiden Bindungspartner in der Lage ist, das bindende Elektronenpaar stärker zu sich zu ziehen. Die beiden Elektronen haben dann eine hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit nicht genau in der Mitte zwischen den Atomkernen sondern bei dem Bindungspartner, der die höhere Elektronegativität (EN) hat. Der Keil, bzw. der Pfeil zeigen diese Verschiebung des Elektronenpaars hin zum elektronegativeren Partner an.

Trennung einer polaren Atombindung

Grundsätzlich bildet sich ein Molekül aus zwei Atomen ja deswegen, weil der durch die Atombindung erreichte Zustand energetisch günstiger ist, als wenn die beiden Atome alleine bleiben würden. Wir haben das schon einmal anhand eines Energie-Abstands-Diagramms für die Bildung von H₂ aus 2 H dargestellt. Skizziert dieses Diagramm zur Erinnerung noch einmal:

• Was muss an den Achsen stehen?
• Wie ist der Verlauf?
• Welche Werte könnte man aus diesem Diagramm ablesen, wenn auf den Achsen welche angegeben wären?

Lösung

Zwei Wasserstoff-Atome würden sich bei Raumtemperatur daher nicht spontan voneinander trennen. Die Atombindung ist zu stark. Bei polaren Atombindungen gibt es Situationen, in denen das anders ausschaut. Vor allem, wenn der eine Bindungspartner Wasserstoff ist. Bleiben wir bei dem oben dargestellten Molekül "Hydrogenchlorid" (HCl). Hier lassen sich die beiden Partner sehr leicht voneinander trennen. Warum?
Bevor diese Frage beantwortet wird vorher wieder etwas zum Auffrischen:

• Wie viele Elektronen besitzt ein einzelnes Chlor-Atom insgesamt?
• Wie viele davon sind Valenzelektronen?
• Was muss passieren, damit dieses Chlor-Atom Edelgaskonfiguration erreicht?
• Wie viele Elektronen besitzt ein einzelnes Wasserstoff-Atom insgesamt?
• Wie viele davon sind Valenzelektronen?
• Was muss passieren, damit Wasserstoff-Atom Edelgaskonfiguration erreicht?
• Wirklich? Keine zweite Möglichkeit?

Lösung

• Ein Chlor-Atom besitzt insgesamt 17 Elektronen
• Sieben davon sitzen auf der äußersten Schale, sind also Valenzelektronen
• Chlor muss ein Elektron aufnehmen
• Ein Wasserstoff-Atom besitzt ein Elektron
• ...sehr witzig...
• Es muss eins aufnehmen, um die Edelgas-Konfiguration von Helium zu erreichen (Zwei Elektronen auf der innersten Schale, die damit voll besetzt ist und einen sehr energiearmen Zustand darstellt)
• Das haben wir noch nicht besprochen: Wasserstoff könnte das eine Elektron auch abgeben. Dann hat es überhaupt keins mehr. Vom Wasserstoffatom bliebe dann nur das eine Proton im Kern übrig. Das ist zwar keine klassische Edelgaskonfiguration, aber dennoch auch ein sehr energiearmer Zustand.

Die folgende Aussage ist "anthropomorph". Das bedeutet, man tut so, als wären die betrachteten Teilchen Lebewesen/Menschen mit Gefühlen und Bedürfnissen. Das ist natürlich nicht so! Solche Aussagen sind aber oft sehr leicht verständlich für Schülerinnen und Schüler. Ich werde die Aussage erst später fachwissenschaftlich umformulieren:
O.k., schauen wir uns die Situation mal an: Wir haben zwei Atome, ein Wasserstoff-Atom und ein Chlor-Atom. Beide teilen sich ein Elektronenpaar und bilden daher ein Molekül. Das Chlor-Atom ist unglaublich scharf auf das Elektronenpaar. Wenn es beide Elektronen haben könnte, hätte es Edelgaskonfiguration. Das Wasserstoff-Atom könnte mit beiden Elektronen zwar auch etwas anfangen, ist aber auch glücklich, wenn es überhaupt kein Elektron mehr hat.
WAS WIRD WOHL PASSIEREN?

Wer keine Ahnung hat, was das soll, vielleicht noch ein anderes Beispiel: Ihr habt ein kleines Geschwister. Das hat zum Geburtstag ein Playmobil-Pferd geschenkt bekommen. Ihr habt den passenden Playmobil-Cowboy dazu, den ihr irgendwie ganz witzig findet. Euer kleines Geschwister kommt permanent zu euch ins Zimmer und will mit euch und eurem Playmobil-Cowboy spielen. Eine Zeit lang macht euch das auch Spaß und ihr macht mit. Aber plötzlich klingelt euer Handy und euer... bester Freund/beste Freundin ist dran. WAS MACHT IHR? - Vermutlich: Ihr schenkt euren Playmobil-Cowboy eurem Geschwister und schickt ihn aus dem Zimmer. Übertragt das jetzt auf die Atome!

Lösung

Das bindende Elektronenpaar (Playmobil-Pferd + Playmobil-Cowboy) wird komplett auf das Chlor-Atom (euer Geschwister) übertragen. Es entsteht ein positiv geladenes Wasserstoff-Teilchen (vorher: ein positiv geladenes Proton im Kern, ein negatives Elektron in der Hülle; jetzt; nur noch ein Proton) und ein negativ geladenes Chlor-Teilchen (vorher: 17 Protonen im Kern, 17 Elektronen in der Hülle; jetzt: 17 Protonen im Kern, 18 Elektronen in der Hülle.

Man spricht in so einem Fall von einer heterolytischen Bindungstrennung. "Bindungstrennung" bedeutet, dass eine Bindung getrennt wird (ziemlich logisch...) und "hetero"(lytisch) bedeutet, dass die Bindung (bzw. besser: das bindende Elektronenpaar) "ungleichmäßig" aufgeteilt wird. Es gibt auch die "homolytische Bindungstrennung", bei der wird die Bindung so aufgeteilt, dass jeder Partner ein Elektron des bindenden Paares bekommt. Das ist hier aber nicht so: Das Wasserstoff-Atom bekommt gar kein, das Chlor-Atom beide. Deswegen: heterolytische Bindungstrennung.
Die Abspaltung eines Wasserstoffteilchens nach diesem Muster ist etwas, was viele Moleküle können (wenn ein passender Reaktionspartner zur Verfügung steht). Man zählt solche Moleküle zur Gruppe der "Säuren". Wenn z.B. etwas "sauer" schmeckt, dann sicher deswegen, weil eine Säure enthalten ist, also ein Molekül, das durch heterolytische Bindungstrennung ein Proton (das was vom Wasserstoffteilchen nach der Abspaltung übrig bleibt) abgespalten hat.
Man kann diese Abspaltung als chemische Gleichung formulieren:

Stellt nach dem gleichen Muster die chemischen Gleichungen (beide Varianten: mit und ohne Valenzstrichformel) für die heterolytische Bindungstrennung für folgende Säure-Moleküle auf:

• Hydrogenfluorid (HF)
• Iodsäure (HIO₃)
• Schwefelsäure (H_2SO4)

Lösung

Vielleicht habt ihr bei der Schwefelsäure das andere Proton abgespalten. Das funktioniert. Es können sogar beide Wasserstoff-Teilchen gleichzeitig abgespalten werden. Stellt dafür (sofern ihr es noch nicht getan habt) die Gleichungen (mit und ohne Valenzstrichformeln) auf!

Lösung

Hausaufgabe

Das Buch geht hier anders vor, deswegen keine Seiten im Buch lesen. Eher etwas praktisches als Hausaufgabe:
Pflicht: Sucht bei euch zu Hause drei völlig verschiedene Lebensmittel, die sauer sind (mit "völlig verschieden" meine ich, dass ihr nicht so etwas findet wie "Äpfel" und "Birnen").

Freiwillig: Versucht zu recherchieren, welches Molekül für den sauren Geschmack des Lebensmittels verantwortlich ist!

Arbeitsauftrag 20.04.

Wiederholung

Ein paar einfache Aufgaben, um euch nach zwei Wochen Ferien langsam wieder auf Betriebs-Temperatur zu bringen:

• Zeichnet die Valenzstrichformeln für: CO₂, NH₃, CH₂O, SO₃

Lösung

• Stellt die Bildung der folgenden Salze aus den Element in Form von chemischen Gleichung dar: Calciumoxid, Aluminiumchlorid, Magnesiumnitrid

Lösung

Das war es schon für heute

Falls ihr Schwierigkeiten mit den Aufgaben hattet, meldet euch bitte bei mir.