3 Eigenschaften der Molekülverbindungen Themenbereich: Molekülbau

3 Eigenschaften der Molekülverbindungen

Themenbereich:

Molekülbau

Übersicht

• 3.1 Einführung

• 3.2 Polare Elektronenpaarbindungen

• 3.3 Dipolmoleküle

• 3.4 Intermolekulare Kräfte

3.4 Intermolekulare Kräfte

Repetition: Teilchenmodell der Aggregatzustände

(s)Teilchen halten

durch starke Kräfte zusammen

(l)Teilchen halten durch Kräfte

zusammen

(g)Teilchen halten kaum zusammen

Repetition: Teilchenmodell der Aggregatzustände

Beim Schmelzen bzw. Sieden wird Energie benötigt um die Anziehungskräfte zu überwunden.

Je höher die Anziehungskräfte sind, desto mehr Energie wird benötigt um diese zu überwinden.

Tiefe Smp, Sdp: kleine Anziehungskräfte

Grosse Smp, Sdp: grosse Anziehungskräfte

Intermolekulare Kräfte

Zwischen den Molekülen wirken Anziehungskräfte oder

sogenannte intermolekulare Kräfte (intermolekular bedeutet

so viel wie zwischen den Molekülen oder „zwischenmolekular“).

Man unterscheidet drei Arten intermolekularer Kräfte

- 1) Dipol-Dipol-Kräfte

- 2) Wasserstoff-Brücken

- 3) Van-der-Waals-Kräfte

1) Dipol-Dipol-Kräfte

Wir vergleichen zwei ähnlich grosse Moleküle: Methanol und Ethan.

CO

H

H

H

H

Smp. - 89 °C

apolares Molekül

Methanol

C

H

H

H C

H

H

H

Smp. 65 °C

Dipolmolekül

Ethan

Dipol-Dipol-Kräfte

Bei Methanol gibt es einen starken Zusammenhalt der Moleküle durch

Dipol-Dipol-Kräfte. Deshalb ist der Siedepunkt von Methanol viel

höher als derjenige von Ethan.

Bei Ethan kommen nur relativ schwache van-der-Waals-Kräfte vor.

CO

H

H

H

H

Smp. - 89 °C

apolares Molekül

Methanol

C

H

H

H C

H

H

H

Smp. 65 °C

Dipolmolekül

Ethan

Dipol-Dipol-Kräfte

Dipol-Dipol-Kräfte entstehen dadurch, dass es zu einer

elektrostatischen Anziehung zwischen dem positiven Ende eines

Dipolmoleküls mit dem negativen Ende eines anderen kommt.

Je stärker der Dipol, desto grösser die Dipol-Dipol-Kräfte.

δ

δ

δ

δ elektrostatische Anziehungzwischen zwei Dipolen

positives Ende

negatives Ende H

Clδ

δ

H

Clδ

δ

Beispiel: HCl

2) Wasserstoff-BrückenWasserstoff-Brücken sind die stärksten intermolekulare Kräfte. Damit

sie auftreten braucht es polare Bindungen zwischen Wasserstoff-

Atomen und stark elektronegativen Atomen wie N, O und F.

Eine sehr starke Dipol-Dipol-Kraft zwischen zwei Molekülen mit

polaren X-H Bindungen nennt man Wasserstoffbrücken. (X = O, N, F)

Beispiele: H2O, NH3, HF

Wasserstoff-Brücken

H

O

H

H O

H

H-Brücke

Für eine H-Brücke wird benötigt:

- Polar gebundenes Wasserstoff-Atom

- Freies Elektronenpaar eines stark elektronegativen Atoms (O, N, F)

Übung: Wasserstoff-Brücken

Bitte löst das Aufgabenblatt durch

H-Brücken:Gitterstruktur von Eis

Die Dichte von flüssigem Wasser ist grösser als diejenige von Eis (Eis

schwimmt auf Wasser): Die Wasser-Moleküle brauchen im festen

Aggregatzustand (regelmässige Anordnung) mehr Platz als im flüssigen

Aggregatzustand.

Daraus folgt:

Im Eiskristall = H2O (s) muss es Löcher haben

H-Brücken:Gitterstruktur von Eis

Die Ausbildung von Wasserstoffbrücken in Eis bewirkt die Bildung von

Kristallen mit Sechsringen.

H-Brücken:Anomalie von Wasser

Wasser hat bei 4 °C seine grösste Dichte von 1 g/cm3. Bei weiterer

Temperaturverringerung (auch beim Übergang zum festen

Aggregatzustand!) dehnt sich Wasser wieder aus (Dichte nimmt ab).

Dieses Phänomen bezeichnet man als Dichteanomalie und kommt nur bei

wenigen Stoffen vor.


Der Grund für die Dichteanomalie von Wasser ist, dass sich ab 4 °C beim

Abkühlen durch die Wirkung der Wasserstoffbrücken erste starre Gruppen

bilden, der Vorläufer von festem Eis. Diese starren Gruppen benötigen mehr

Platz, weshalb die Dichte von 4 °C bis 0 °C abnimmt.


- Welche Auswirkungen hat die Anomalie von Wasser auf biologische Systeme?


Am Grund eines Sees herrscht immer eine Temperatur von 4 °C, weil die

Dichte dann am grössten ist.

Der See friert somit von oben und nicht von unten zu, so dass es Fischen

möglich ist am Grund des Gewässers zu überwintern.

Desoxyribonukleinsäure (DNS)

Zur Bildung der Doppelhelix-Struktur der DNS kommt es durch Ausbildung von Wasserstoff-Brücken (hydrogen bond) zwischen den

Basen Adenin (A) und Thymin (T) bzw. Cytosin (C) und Guanin (G).

Desoxyribonukleinsäure (DNS)

3) Van-der-Waals-KräfteVan-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten intermolekularen Kräfte.

Sie treten zwischen apolaren Molekülen auf.

Je grösser ein Molekül ist, desto stärker sind die v.-d.-W.Kräfte.

Ethan

C2H6 (g)

apolares Molekül

schwache v.-d.-W.-Kräfte

Hexan

C6H14 (l)

apolares Molekül

mässig starke v.-d.-W.-Kräfte

Octadecan

C18H38 (s)

apolares Molekül

starke v.-d.-W.-Kräfte

Zunahme der v.-d.-W.-Kräfte, Zunahme der Molekülgrösse

3) Van-der-Waals-Kräfte

Ethan

C2H6 (g)

apolares Molekül

schwache v.-d.-W.-Kräfte

Hexan

C6H14 (l)

apolares Molekül

mässig starke v.-d.-W.-Kräfte

Octadecan

C18H38 (s)

apolares Molekül

starke v.-d.-W.-Kräfte

Zunahme der v.-d.-W.-Kräfte, Zunahme der Molekülgrösse

Die Zunahme der v.-d.-W.-Kräfte spiegelt sich in den Aggregatzustände bei 20 °C wieder. Bei Hexan sind die v.-d.-W.-Kräfte so stark, dass Hexan flüssig vorliegt, bei Octadecan sind die Kräfte so stark, dass es sogar fest vorliegt.

Van-der-Waals-Kräfte

Durch die Bewegung der Elektronen können in apolaren Molekülen

zufällig kurzfristig Dipole entstehen.

Diese zufällig entstandenen Dipole bewirken, dass benachbarte

Moleküle ebenfalls Dipole bilden, welche man induzierte Dipole nennt.

δ δ δ δ

elektrostatische Anziehung zwischen zufälligem und induziertem Dipol

durch Elektronenbewegungzufällig entstandener Dipol induzierter Dipol


Die Anziehung zwischen zufälligem und induzierten Dipol (v.-d.-

W.-Kraft) ist viel geringer als zwischen permanenten Dipolen

(Dipol-Dipol-Kraft).

Je grösser apolare Moleküle, desto grösser ist die Chance, dass ein

zufälliger Dipol entsteht. Deshalb sind die v.-d.-W.-Kräfte für

grössere apolare Moleküle grösser, als für kleinere.


http://www.youtube.com/watch?v=6Rf66V0PeJw

Van-der-Waals-Kräfte in der Natur

- Geckofüsse-Artikel

Mischbarkeit: Experimente 1

Wir versuchen verschiedene Flüssigkeit miteinander zu vermischen:

Wasser H2O Dipol

Methanol CH4O Dipol

Hexan C6H14 apolar

Octan C8H18 apolar


H2O CH4O C6H14 C8H18

H2O + + - -

CH4O x - -

C6H14 x x +

C8H18 x x x


Die Dipole Wasser und Methanol lassen sich mischen.

Ebenfalls kann man die beiden apolaren Stoffe Hexan und Octan

mischen.

Keines der Dipole (Wasser oder Methanol) mischt sich mit einem

apolaren Stoff (Hexan oder Octan).

Regel:

Gleiches mischt sich mit Gleichem.


Wir versuchen die beiden Alkohole Ethanol und Propanol mit Wasser bzw. Hexan zu mischen. Methylenblau dient als Indikator.

Ethanol Propanol

C

H

H

C C

H

H

O

H

H

H

H

C

H

H

H C

H

H

O

H

apolarerMolekülteil

polarerMolekülteil


polarerMolekülteil


H2O C6H14

Ethanol + etwas

Propanol etwas +

Ethanol Propanol

C

H

H

C C

H

H

O

H

H

H

H

C

H

H

H C

H

H

O

H


polarerMolekülteil


polarerMolekülteil


Je länger der apolare Teil eines Dipolmoleküls, desto besser mischt es

sich auch mit apolaren Molekülen.

Quellen

Seite 14: http://www.chemieunterricht.de/dc2/wasser/w-stoffl.htm

Seite 15: http://www.wasser-wiki.de/doku.php?id=wasser_eigenschaften

:dichte:anomalie

Seite 18: http://www.chemieunterricht.de/dc2/wasser/w-anomal.htm

Seite 19: http://www.mobile-research.ethz.ch/de/wissen/themen/gesundheit/

erbgutschaeden-genotoxizitaet/

Seite 20: http://stq.wikipedia.org/wiki/Bielde:Chemische_Struktur_der_DNA.svg

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