Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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3 Der Weg zum Molekül

Ziel: Wichtigste Frage der Chemie:

bulletWarum reagieren Stoff überhaupt miteinander?
bulletWarum entstehen gerade die beobachteten Produkte?
bulletGibt es erkennbare Baueigentümlichkeiten des Atoms, die für chemische Reaktionen verantwortlich sind?
Material:
bulletV1
bulletMagnetmodell Kugel-Stäbchen "Tetraeder"

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3.1 Die Oktettregel

Beispiel 1:  

Ergebnis: Edelgase reagieren nicht mit anderen Elementen

A: Zeigen Sie eine Besonderheit bezüglich des Atombaues (andere Eigenschaften kennen wir noch nicht, können wir nicht betrachten)?

E: Ihrer äußerste Schale ist (außer bei He) gerade mit 8 Elektronen besetzt.

Edelgase besitzen auf ihrer äußersten Schale 8 Elektronen. Dies ist offenbar ein stabiler Zustand.

Beispiel 2:

V1: Reaktionen von Wasserstoff mit Sauerstoff
M:
bulletEudiometer
bulletPneumatisch Wanne
bulletZündgerät
bulletStativ, 2 Muff., 2 Klemmen
bulletWasserstoff
bulletSauerstoff
V: Eudiometer füllen, befestigen
D: Volumenverhältnis 1:1=H2:O2 einfüllen; zünden
B:
  1. Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff heftig nach elektrischer Zündung.
  2. Beim eingesetzten Volumenverhältnis von 1:1 = Wasserstoff : Sauerstoff bleibt 1 Teil Gas zurück.

(Bedeutung dieser Beobachtung später).

Gleichung für die Vorgänge aus dem Versuch:

1. Annäherung

A: Sind die Atome "zufrieden" (in einem energetisch günstigen Zustand)?

bulletWasserstoff ja: "will" nur 2 Elektronen, damit ist die erste Schale voll.
bulletSauerstoff nein: es fehlt noch 1 Elektron zur vollen Schale.

A: Lösung?

2. Annäherung:

Moleküle sind Atomverbände. Sie werden durch chemische Bindungen zusammengehalten.

Was haben die Atome dadurch erreicht, dass sie miteinander reagiert haben?

bulletdas Sauerstoffatom "sagt", wenn man nachfragt, es hätte 8 Elektronen auf seinem letzten Energieniveau. Es tut so, als ob es das Edelgas Neon wäre (Unterschied? Nukleonen!) und von den Wasserstoffatomen je ein Elektron aufgenommen hätte.
bulletdas Wasserstoffatom "sagt", wenn man nachfragt, es hätte 2 Elektronen auf seinem letzten Energieniveau. Es tut so, als ob es das Edelgas Helium wäre (Unterschied? Nucleonen!) und vom Sauerstoffatom ein Elektron aufgenommen hätte.

Beobachtung: Elemente zeigen das Bestreben, ihre Schalen wie die nächsten Edelgase mit Elektronen zu besetzten. Ab der 2. Periode bedeutet das, auf der letzten Schale 8 Elektronen zu besitzen (Oktettregel).

Der Umkehrschluss ist zulässig:

Teilchen mit unvollständig besetzten Schalen sind instabil. Sie versuchen unter allen Umständen, bezüglich ihrer Elektronenzahl die Edelgaskonfiguration zu erreichen, indem sie entweder Elektronen aufnehmen oder abgeben.

W: Je höher die Ladung, desto instabiler, seltener ist das entsprechende Ion.

Die Edelgaskonfiguration wird am einfachsten erreicht, indem:

bulletdie Elemente der Gruppen 1-13 Elektronen abgeben. Es entstehen Kationen. Dabei muss Ionisierungsenergie aufgewendet werden.
bulletdie Elemente der Gruppen 15-17 Elektronen aufnehmen: Es entstehen Anionen. Dabei wird eine Energie frei, die man Elektronenaffinität nennt.

Würden die Elemente der Gruppen 15-17 alle Elektronen der letzten Schale abgeben, so entstünden Kationen mit sehr hohen Ladungen, die wegen der hohen Ladungsdichte wiederum ungünstig sind: also kein Stabilitätsgewinn.

Die Elemente der Gruppe 14 stehen in der Mitte zwischen zwei Edelgasen. Sie können, je nach Bedarf, Elektronen aufnehmen oder abgeben.

Zusammenfassung:

1. Chemie ist ein Gerangel der Atome um Elektronen.

2. Um die Eigenschaften bestimmter Atomsorten abzuschätzen, reicht es in den meisten Fällen aus, die Elektronen der letzten Schale zu betrachten. Diese nennt man Valenzelektronen.

Übung: Können folgende Atompaare miteinander reagieren? Erste Näherung!

O + Li, K + Cl, Li + Na, N + H.

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3.2 Elektronegativität

Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität beschreiben die Beziehung eines Atoms zu seinen Valenzelektronen, somit das chemische Verhalten das Atoms. Pauling fasste den Einfluss beider Energien zum Begriff der Elektronegativität zusammen.

Dabei erhält man Zahlenwerte mit eine bestimmten Maßeinheit für das gemeinsame Ausmaß, in dem ein Atom seinen Valenzelektronen festhält und andere anzieht. Die Zahlenwerte verteilte Pauling folgendermaßen:

Folie: Elektronegativitäten; rote Zahlen = Werte zum merken.

Das elektronegativste Element, Fluor, erhält den Zahlenwert 4 zugewiesen (keine Einheit!).

Fluor hält seine Valenzelektronen am stärksten fest und hat gleichzeitig den größten „Hunger“ nach zusätzlichen Elektronen. Die Tendenz zur Bildung von Anionen ist sehr ausgeprägt.

Das Verhalten der anderen Elemente wird relativ zu Fluor bewertet. Ergebnis: Die Elektronegativität sinkt im PSE von rechts nach links und von oben nach unten.

Übung: Beschreiben Sie das Verhältnis von Stickstoff zu seinen Elektronen auf der letzten Schale. Begründen Sie!

Faustregeln zum leichteren Umgang mit den Werten:

bulletAlle Metalle erhalten die EN = 1.
bulletVon F nach links und nach unten fällt die EN von Element zu Element um den Wert 0.5 (Genauigkeit für die Zwecke der Einstiegschemie ausreichend!)

Tragen Sie die gerundeten Werte in die Abb. oben nach: Cl, Br, I, Al, Ga, Sn, Pb, Cs.

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    E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de