1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung

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  • 1.1 Eigenschaften des Wassers Bindung und Struktur Verbindung zwischen zwei

    1 Chemie des Wassers

    - Molekl mit der Summenformel H2O

    - kovalente Bindung (Atombindung) zwischen O- und H-Atomen

    - Modell der kovalenten Bindung Oktettregel

    - Folge der unterschiedlichen Elektro- negativitt von O und H polare Bindungen Wasser ist ein Dipol

    - aufgrund von Strukturbesonderheiten intermolekulare Wasserstoffbrcken

    OHH

    H + O + H HOH

    + +

    B B M

    1)

    + 1)

    Molekldipolmoment

  • Lewis-Modell der kovalenten Bindung

    - Atome von Nichtmetallen binden sich ber gemeinsam angehrende, bindende Elektronenpaare aneinander kovalente Bindung

    - Moleklstrukturen werden als Valenzstrichformeln (Lewisformeln) ge- gezeichnet

    - An den Atomen verbleibende Elektronenpaare sind nichtbindende, freie oder einsame Elektronenpaare

    - Ziel ist stabile Edelgaskonfiguration Jedes Atom ist von 8 Elektronen umgeben Oktettregel

    - Wasserstoff strebt Heliumkonfiguration an

    H O H

    N H

    H

    H

    C

    H

    H

    H

    H

    + H

    + 2 H

    C + 4 H

    + 3 H

    H F

    N

    F

    O

    8

  • Atomhlle - Regeln fr die Verteilung der Elektronen

    Raum

    Flur

    OG

    Valenzelektronen realisieren chemische Bindung

    Na11

    C6

    Cl17

    H1

    O8

    OG

    Cl

    H

    Na

    C

    O

    Flur

    s

    s

    p

    p

    s

    d

    Valenz- elektronen

  • Elektronenkonfiguration und Bindigkeit1) einiger Elemente der 2. Periode

    Atom2) Beispiel (H-Verbindung)

    Elektronenkonfiguration

    1s 2s 2p

    Bindigkeit

    Formel Elektronen3)

    6C C (2 ?) (CH2 ?) (4 ?)

    6C* C 4 CH4 8

    7N N 3 NH3 8

    8O O 2 H2O 8

    9F F 1 HF 8

    10Ne Ne 0

    1)Anzahl der kovalenten Bindungen, die von einem Atom ausgehen (kovalente Wertigkeit)

    2)Atomsymbol mit Ordnungszahl und Lewis-Schreibweise mit Valenzelektronen

    3)Valenzelektronen im Bindungszustand

  • Elektronegativitt EN - Ma fr die Fhigkeit des Atoms eines Elements, das bindende Elektronenpaar in einem Molekl an sich zu ziehen

    - Polaritt einer Bindung aus der Differenz der Elektronegativitten EN zugnglich; Bindungsdipolmomente ergeben Molekldipolmoment

    H

    2,1

    Periodensystem der Elemente EN-Werte Bindung

    0 kovalent Li

    1,0

    Be

    1,5

    B

    2,0

    C

    2,5

    N

    3,0

    O

    3,5

    F

    4,0 0,1 bis 0,5 schwach polar

    0,6 bis 1,0 mittel polar Na

    0,9

    Mg

    1,2

    Al

    1,5

    Si

    1,8

    P

    2,1

    S

    2,5

    Cl

    3,0 1,1 bis 1,6 stark polar

    1,7 50 % Ionench. K

    0,8

    Ca

    1,0

    Ga

    1,6

    Ge

    1,8

    As

    2,0

    Se

    2,4

    Br

    2,8 > 1,7 berw. ionisch

  • Bindungsverhltnisse im Wassermolekl

    EN 2,1 3,5 2,1

    EN 1,4 1,4

    kovalente Bindungen Bindungsdipolmoment B = q d

    stark polar Molekldipolmoment M

    Anteil am gemeinsamen Elektronenpaar1)

    O = (3,5 / 3,5 + 2,1) 2 e- = 1,25 e- Partialladung = 0,25 -

    H = (2,1 / 2,1 + 3,5) 2 e- = 0,75 e- Partialladung = 0,25 +

    1)Nherung

    OHH

    + +

    - B B

    M

    +

    - -

    vektorielle Addition der B

  • Ionenbindung - Reaktion zwischen typischen Metallen und Nichtmetallen (Halogene, Sauerstoff), EN > 1,7

    - Elektronenbergang und Bildung von Kationen und Anionen Mit Edelgaskonfiguration (Oktettregel erfllt)

    - elektrostatische Anziehung der Kationen und Anionen Na + O + Na Na+ + O 2- + Na+ [Ne] [Ne] [Ne]

    jeweils 8 Valenzelektronen 0,9 3,5 0,9

    8

  • Anziehungskrfte zwischen geladenen Teilchen Ionenbindung Ion-Dipol-Krfte

    + +

    + +

    Dipol-Dipol-Krfte

    +

    + + +

    +

    +

  • Hydratation eines Ions durch das Lsungsmittel Wasser s. 1.2

    Kation- bzw. Anion-Dipol-Krfte

    +

    +

    +

    +

    +

  • Wasserstoffbrcken

    - besondere Dipol-Dipol-Kraft

    - Wasserstoffatome sind an kleine, stark elektronegative Atome gebunden F, O und N

    - Wechselwirkungen zwischen partiell positiv geladenen Wasserstoffatomen und dem freien Elektronenpaar am F, O oder N-Atom des Nachbarmolekls Wasserstoffbrcke

    - Bindungsstrke deutlich geringer als die einer kovalenten Bindung

    nur etwa 1/20 der Bindungsstrke

    O

    H H

    H H

    H H

    O

    H H

    O

    H H

    O

    O

    +

    +

    +

    -

    - H

    H +

    O H

    H O -

    -

  • Anomalien des Wassers aufgrund von Wasserstoffbrcken Wasser nimmt aufgrund einer Reihe anomaler Eigenschaften eine Sonder- stellung ein. Es besitzt ungewhnlich hohe Werte fr den Schmelz- und Siedepunkt

    die Verdampfungswrme

    die spezifische Wrmekapazitt

    die Dichte

    die Oberflchenspannung

    die Viskositt

  • Aggregatzustnde von Stoffen

    Bewegung der Teilchen

    Krfte zwischen den Teilchen

    Feststoff Flssigkeit

    Gas

    + Energie + Energie

    - Energie - Energie

  • bergang der Aggregatzustnde Eis, Wasser und Wasserdampf bei Normaldruck1)

    Wrmezufuhr bzw. Wrmeabgabe

    Verdampfungs- bzw. Kondensationswrme2)

    40,7 kJ/mol = 2259 kJ/kg

    Schmelz- bzw. Erstarrungswrme2)

    6,02 kJ/mol = 334 kJ/kg

    100 C

    Tem

    pera

    tur

    0 C

    Eis Eis/Wasser Wasser Wasser/Wasserdampf Wasserdampf

    1)1,01325 bar 2)latende Wrme; lat. latere - verborgen sein

    Sdp.

    Smp.

  • Wie viel Kondensationswrme wird frei, wenn 1 L Wasser durch Kondensation aus Wasserdampf bei 25 C gebildet wird (HK = - 44 kJ/mol)?

    H2O(g) H2O(l)

    )OH(M)OH(m

    )OH(n2

    22 = mol5,55

    molg18

    g1000)OH(n

    12=

    =

    H = 55,5 mol (- 44 kJ/mol) = - 2442 kJ

    Brennwertkessel - Heizkessel fr Warmwasserheizungen

    - vollstndige Ausnutzung des Energie- inhalts des Brennstoffs durch Abkh- lung des Abgases (Rcklauf)

    - Kondensationssationswrme des Was- serdampfes zur Wrmeerzeugung!

  • Schmelz- und Siedepunkte der Wasserstoffverbindun-gen der VI. Hauptgruppe

    -100

    -80

    -60

    -40

    -20

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    0 20 40 60 80 100 120 140

    Molare Masse (g/mol)

    Tem

    pera

    tur

    (C)

    H2O

    H2S H2Se

    H2Te

    Schmelzpunkte

    Siedepunkte

  • Druck-Temperatur-Zustandsdia- gramm

    Bedingungen, bei denen Wasser fest, flssig oder gasfrmig ist

    Aggregatzustnde werden durch Phasengrenzlinien be- grenzt

    Tripelpunkt (Tp)

    Eis, Wasser und Wasser- dampf liegen im Gleichge- gewicht vor

    Kritischer Punkt (krP)

    Gas und Flssigkeit besitzen die gleiche Dichte und sind nicht mehr unterscheidbar

    Temperatur / C

    Dru

    ck /

    bar

    Phasendiagramm des Wassers (Skizze nicht mastabsgerecht)

    0,006

    1,013

    221

    - 273,15 0,01 0 100 374

    Eis

    Wasser- dampf

    Wasser

    Siedepunktskurve

    Sublimationskurve

    Schmelzkurve

    Sdp Smp

    Tp

    krP

  • Anordnung der Wassermolekle im weitmaschigen Gitter eines Eiskristalls Tetraedrische Umgebung des Sauerstoffs Hexagonale Struktur !

    Die hohlrumige Struktur von Eis ist auf Wasserstoffbrcken zurckzufhren!

  • Temperaturabhngigkeit der Dichte von Eis und Wasser

    Temperatur / C

    = 0,917 g/cm3

    0 C 4 C

    = 1,000 g/cm3 D

    icht

    e /

    g/cm

    3

    Wasser dehnt sich beim Gefrieren um ca. 9 % gegenber dem Ausgangsvolumen aus. Wasser hat bei 4 C seine grte Dichte.

  • Vorgnge beim Schmelzen und Gefrieren V = 1/11 9 Vol.-%!

    Eis 1 mol = 19,63 cm3 Wasser 1 mol = 18,00 cm3 0 C

    - Beim Schmelzen bleiben im Wasser geordnete Bereiche erhalten ( Cluster aus 2 bis 1000 Wassermoleklen).

    - Mit steigender Temperatur nimmt die Ordnung ab und die Raumerfllung wird bis 4 C hher.

    - Danach erfolgt die Abnahme der Dichte durch Wrmebewegung.

  • Knstliche Luftporen im Beton

    Wenige groe Luftporen groer Eisdruck

    Viele kleine Luftporen geringer Eisdruck

    bliche Grenverteilung 10 - 300 m

    Verminderung der kapillaren Saugfhigkeit

    Schutz vor Frost- und Frost-Tausalz-Schden

  • Ursache der Oberflchenspannung