Zwischenmolekulare Kräfte: Van-der-Waals, Dipol-Dipol, Wasserstoffbrücken
Du erklärst Siedetemperaturen und Löslichkeit von Stoffen mit den Kräften zwischen Molekülen und verstehst die besonderen Eigenschaften des Wassers.
Schritt für Schritt erklärt
Innerhalb eines Moleküls halten Elektronenpaarbindungen die Atome zusammen. Zwischen den Molekülen wirken schwächere Kräfte. Sie bestimmen, ob ein Stoff bei Raumtemperatur fest, flüssig oder gasförmig ist und worin er sich löst.
Van-der-Waals-Kräfte
Auch in unpolaren Molekülen verschieben sich die Elektronen kurzzeitig. Es entstehen spontane Dipole, die in Nachbarmolekülen Dipole hervorrufen. Die daraus folgenden schwachen Anziehungskräfte heißen Van-der-Waals-Kräfte (London-Kräfte).
Sie werden stärker, je größer die Moleküle und je größer ihre Oberfläche ist. Deshalb steigen die Siedetemperaturen der Alkane mit der Kettenlänge. Verzweigte Moleküle haben eine kleinere Oberfläche und sieden niedriger als unverzweigte Isomere.
Dipol-Dipol-Kräfte
Polare Moleküle (Dipole) ziehen sich mit ihren entgegengesetzten Teilladungen an. Diese Kräfte sind stärker als Van-der-Waals-Kräfte bei vergleichbar großen Molekülen.
Wasserstoffbrücken
Ist ein Wasserstoffatom an ein sehr elektronegatives Atom (F, O oder N) gebunden, trägt es eine stark positive Teilladung. Es wird von einem freien Elektronenpaar eines Nachbarmoleküls angezogen. Diese besonders starke Anziehung heißt Wasserstoffbrückenbindung.
Die besonderen Eigenschaften des Wassers
Wasser bildet viele Wasserstoffbrücken. Daraus folgen erstaunliche Eigenschaften:
- hohe Siedetemperatur (100 °C), obwohl das Molekül sehr klein ist. Schwefelwasserstoff (H₂S), ähnlich gebaut, siedet bei etwa −60 °C.
- Dichteanomalie: Wasser hat bei 4 °C seine größte Dichte. Eis ist leichter als flüssiges Wasser und schwimmt, weil die Wasserstoffbrücken im Eis ein Gitter mit Hohlräumen bilden. Deshalb frieren Seen von oben zu, und Fische überleben am Grund.
- hohe Oberflächenspannung: Wasserläufer können auf dem Wasser laufen.
- gutes Lösungsmittel für polare Stoffe und Salze
Löslichkeit
„Ähnliches löst sich in Ähnlichem“: Polare Stoffe lösen sich in polaren Lösungsmitteln (Zucker in Wasser), unpolare in unpolaren (Fett in Benzin). Stoffe mit polaren und unpolaren Teilen wie Seifen vermitteln zwischen beiden Welten.
Das musst du dir merken
Van-der-Waals-Kräfte wachsen mit der Moleküloberfläche, Dipol-Dipol-Kräfte wirken zwischen polaren Molekülen, Wasserstoffbrücken entstehen bei H an F, O oder N und sind am stärksten. Sie erklären Siedetemperaturen und Löslichkeit.
Beispiele mit Lösungsweg
Beispiel 1
- Methan: kleines unpolares Molekül, nur schwache Van-der-Waals-Kräfte
- Hexan: größeres unpolares Molekül, stärkere Van-der-Waals-Kräfte
- Wasser: Wasserstoffbrücken
Ergebnis Methan (−162 °C) < Hexan (69 °C) < Wasser (100 °C)
Beispiel 2
- Im Eis ordnen sich die Moleküle über Wasserstoffbrücken in einem Gitter mit Hohlräumen.
- Dadurch braucht Eis mehr Platz als flüssiges Wasser, seine Dichte ist kleiner.
Ergebnis Eis hat eine geringere Dichte (etwa 0,92 g/cm³) als Wasser und schwimmt deshalb.
Übungsaufgaben mit Lösungen
Welche Atome müssen am Wasserstoff gebunden sein, damit Wasserstoffbrücken entstehen?
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Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff.
Warum siedet unverzweigtes Pentan höher als verzweigtes 2,2-Dimethylpropan?
Lösung anzeigen
Das unverzweigte Molekül hat eine größere Oberfläche und damit stärkere Van-der-Waals-Kräfte.
Bei welcher Temperatur hat Wasser seine größte Dichte?
Lösung anzeigen
Bei etwa 4 °C.
Fehler, die Punkte kosten
Wasserstoffbrücken werden mit Elektronenpaarbindungen innerhalb des Moleküls verwechselt.
Wasserstoffbrücken wirken zwischen Molekülen und sind viel schwächer als Bindungen im Molekül.
Es wird angenommen, dass beim Sieden die Moleküle in Atome zerfallen.
Beim Sieden werden nur die zwischenmolekularen Kräfte überwunden, die Moleküle bleiben ganz.
Hinweis zur Klassenstufe
In welcher Klasse genau dieses Thema drankommt, unterscheidet sich zwischen den Ländern. Klasse 10 ist der häufigste Zeitpunkt.