5.5 Wasser – weitere besondere Eigenschaften .CH3 CH CH CH3 CH3 3 CH2CH 2 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH2

  • View
    216

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of 5.5 Wasser – weitere besondere Eigenschaften .CH3 CH CH CH3 CH3 3 CH2CH 2 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH2

  • Molekülbau und Stoffeigenschaften 13

    5.5  Wasser – weitere besondere Eigenschaften

    Neben der hohen Siedetemperatur hat Wasser weitere außergewöhnliche Eigenschaften. Auch sie lassen sich mit den besonders starken zwischenmolekularen Anziehungskräften, den Wasserstoffbrücken, erklären.

    1 Oberflächenspannung des Wassers Die Wasseroberfläche eines gefüllten Glases lässt sich über den Rand hinaus vergrößern, wenn man weitere Wassertropfen hinzugibt – die Wasseroberfläche scheint mit einer Haut umgeben zu sein. Erkläre dieses Phänomen mithilfe der Anziehungskräfte zwischen den Wasser-Molekülen.

    Dieses Phänomen beruht auf den Anz iehungs-

    kräften zwischen den Wasser-Molekü len , den

    Wasserstoffbrücken . D iese werden von den

    Molekü len im Inneren der F lüssigke it nach

    a l len Se iten ausgeb i ldet . Da a l le Molekü le an

    der Ober f läche zum Inneren der F lüssigke it

    gezogen werden, s ie d iesem Zug wegen der dort schon vor-

    handenen Molekü le jedoch n icht fo lgen können, ersche int

    d ie Ober f läche w ie e ine gespannte e last ische Haut.

    2 Molekülgitter von Eis Eisberge schwimmen im Meerwasser. Wasser hat also, im Gegensatz zu allen anderen Stoffen, im festen Aggregatzustand eine geringere Dichte als im flüssigen. Ergänze folgenden Lückentext.

    Im Eis bilden die Wasser-Moleküle ein regelmäßiges

    Kristallgitter B2, in dem jedes Sauerstoff-Atom tetra-

    edrisch von v ier Wasserstoff-Atomen

    um geben ist. Zwei dieser Wasserstoff-

    Atome sind über

    Elektronen paarb indungen

    mit dem Sauerstoff-Atom verbunden, zwei über Wasserstoffbrücken . Da der O-H-Abstand

    im Wasser-Molekül ger inger ist als der in einer Wasserstoffbrücke, sind die H-Atome nicht

    symmetrisch zwischen den Sauerstoff-Atomen verteilt. Es ergibt sich ein weit-

    maschiges Gitter mit durchgehenden Hohlräumen von sechseckigem Querschnitt. Wegen dieser Struktur be-

    sitzt Eis eine ger ingere Dichte als Wasser und schwimmt auf diesem.

    B1 Kräfte zwischen Wasser-Molekülen

    Teilchen an der Grenzfläche

    resultierende Kraft

    Teilchen im Innern der Flüssigkeit

    B2 Molekülgitter von Eis. Es entstehen Hohlräume

    DO01756205_AB_k05.indd 13 29.04.2015 11:11:53

  • Molekülbau und Stoffeigenschaften 15

    5.7  Lösen und Mischen

    V1 Lösen von Feststoffen Geräte und Chemikalien: 6 Reagenzgläser, Spatel, dest. Wasser, Heptan, Paraffinöl, Kochsalz, Zucker. Durchführung: a) Gib in je drei Reagenzgläser eine Spatelspitze Kochsalz oder Zucker. b) Überprüfe, in welchem der Lösungsmittel (Wasser, Heptan und Paraffinöl) sich die Feststoffe lösen. Setze jeweils etwa 2 cm hoch Lösungsmittel zu. c) Notiere deine Beobachtungen in folgender Tabelle.

    Kochsalz Zucker

    Wasser löst sich löst sich Heptan löst sich nicht löst sich nicht Paraffinöl löst sich nicht löst sich nicht

    V2 Mischen von Lösungsmitteln Geräte und Chemikalien: 3 Reagenzgläser, Wasser, Heptan, Paraffinöl. Durchführung: a) Gib in je ein Reagenzglas etwa 1 cm des Lösungsmittels Ø. Füge je 1 cm hoch des Lösungs- mittels ØØ hinzu und schüttle vorsichtig. Beobachte, welche Lösungsmittel sich ineinander lösen und notiere deine Beobachtungen in folgender Tabelle.

    Lösungsmittel Ø Lösungsmittel ØØ Beobachtungen

    Wasser Heptan löst sich nicht, Heptan schwimmt auf Wasser Heptan Paraffinöl löst sich Paraffinöl Wasser löst sich nicht, Paraffinöl schwimmt auf Wasser

    Entsorgung (V1, V2): Heptan und Paraffinöl dürfen nicht in den Abfluss gegeben werden. Gib die Abfälle daher in ein spezielles Gefäß bei der Lehrkraft. Dieses sollte unter dem Abzug stehen.

    b) Vergleiche die Dichte von Heptan und Paraffinöl mit der Dichte von Wasser. Begründe.

    Da Heptan und Paraff inö l auf Wasser schwimmen, müssen

    s ie e ine ger ingere Dichte a ls Wasser haben.

    c) In Kap. 5.6 hast du bereits die Eigenschaften von Wasser als Lösungsmittel kennengelernt. Stelle mit diesem Wissen und den Ergebnissen von V1 und V2 eine Vermutung über den Molekülbau von Heptan und den Molekülen des Paraffinöls auf. Begründe deine Vermutung.

    Wasser ist als Lösungsmittel aufgrund des polaren Baus seiner

    Moleküle gut für viele Salze und andere polare Stoffe geeignet.

    Kochsalz und Zucker lösen sich weder in Heptan noch in Paraf-

    finöl. Zudem lassen sich Heptan und Paraffinöl nicht in Wasser

    lösen . Daher ist es nahe l iegend, dass Heptan und Paraf-

    f inö l n icht aus po laren Molekü len aufgebaut s ind .

    DO01756205_AB_k05.indd 15 29.04.2015 11:11:53

  • 20 Molekülbau und Stoffeigenschaften

    5.10  Benennen verzweigter Alkane

    Die Anzahl der Strukturisomere nimmt bei den Alkanen mit wachsender Kettenlänge drastisch zu, weil sich immer mehr Verzweigungsmöglichkeiten ergeben. Für Hexan gibt es fünf Isomere, für Heptan bereits neun. Um die Isomere auseinanderhalten zu können, benötigt man ein Regelsystem zur Benennung verzweigter Alkane. Dieses nennt man systematische Nomenklatur (lat. nomenclatura, Namensverzeichnis).

    1 Zeichne die Halbstrukturformeln der Isomere von Hexan und benenne sie. Halbstrukturformel Name

    Hexan 2-Methylpentan

    3-Methylpentan

    2,2-Dimethylbutan

    2,3-Dimethylbutan

    Alkylgruppe:

    Allgemein wird der aus einem Alkan-Molekül durch Abspaltung eines Wasserstoff-Atoms hervorgehende „Molekül rest“ als Alkyl rest oder Alkylgruppe bezeichnet.

    Alkylgruppe: —CnH2 n + 1 ; Methylgruppe: —CH3 ;

    Ethylgruppe: —CH2—CH3 oder —C2H5

    4-Ethyl- 3,3- di methyl heptan

    CH3 |

    1CH3—2CH2—3C—4CH—5CH2—6CH2—7CH3 | CH3

    | CH2 | CH3

    C C

    CH3

    H3C

    CH3 CH3

    CH3

    CH3 CH2CH CH

    CH3

    CH3H3C

    C2H5

    2,2 ,3,3-Tetramethy lbutan 3-Ethy l-2-methy lpentan

    c) (C2H5)2CH(C3H7) 3-Ethy lhexan

    2 Benenne folgende Alkane. a)  b)

    1. Längste Kette aus Kohlenstoff-Atomen ermitteln und benennen. Aus der Zahl der Kohlenstoff -Atome ergibt sich der Name der Hauptkette.

    2. Seitenketten benennen und alphabetisch ordnen. Seitenketten erhalten ebenfalls ihren Namen nach der Zahl der Kohlenstoff-Atome. Anstelle der Endung „an“ erhalten die Seitenketten die Endung „yl“. Der Name der Seitenkette wird dem Namen der Hauptkette vorangestellt.

    3.  Anzahl der gleichen Seitenketten ermitteln und durch das entsprechende griechische Zahlwort (di-, tri-, tetra-, …) kennzeichnen.

    4. Verknüpfungsstellen zwischen Haupt- und Seitenketten ermitteln, dabei Hauptketten so durch- nummerieren, dass die Verknüpfungsstellen kleinstmögliche Zahlen enthalten.

    CH2CH3 CH2 CH2 CH3CH2

    CH3

    CH2CH3 CH CH2 CH3

    CH3

    CHCH3 CH2 CH2 CH3

    CH3

    CH2CH3 C CH3

    CH3

    CH3

    CHCH3 CH CH3

    CH3

    CH2CH3 CH2 CH2 CH3CH2

    CH3

    CH2CH3 CH CH2 CH3

    CH3

    CHCH3 CH2 CH2 CH3

    CH3

    CH2CH3 C CH3

    CH3

    CH3

    CHCH3 CH CH3

    CH3

    CH2CH3 CH2 CH2 CH3CH2

    CH3

    CH2CH3 CH CH2 CH3

    CH3

    CHCH3 CH2 CH2 CH3

    CH3

    CH2CH3 C CH3

    CH3

    CH3

    CHCH3 CH CH3

    CH3

    CH2CH3 CH2 CH2 CH3CH2

    CH3

    CH2CH3 CH CH2 CH3

    CH3

    CHCH3 CH2 CH2 CH3

    CH3

    CH2CH3 C CH3

    CH3

    CH3

    CHCH3 CH CH3

    CH3

    CH2CH3 CH2 CH2 CH3CH2

    CH3

    CH2CH3 CH CH2 CH3

    CH3

    CHCH3 CH2 CH2 CH3

    CH3

    CH2CH3 C CH3

    CH3

    CH3

    CHCH3 CH CH3

    CH3

    DO01756205_AB_k05.indd 20 29.04.2015 11:11:54

  • 30 Molekülbau und Stoffeigenschaften

    5.17  Alkanole: Homologe Reihe und Isomerie

    Alkohole sind organische Stoffe, deren Moleküle mindestens eine OH-Gruppe besitzen. Alkohole sind sich in vielen Eigenschaften und Reaktionen ähnlich, da die allen Molekülen gemeinsame Hydroxy- gruppe das Verhalten der Alkohol-Moleküle wesentlich beeinflusst. Sie wird daher als funktionelle  Gruppe der Alkohol-Moleküle be- zeichnet.

    Ersetzt man in einem Alkan-Molekül (Kap. 3.18) ein Wasserstoff- Atom formal durch eine Hydroxygruppe, erhält man das Molekül eines Alkanols. Jedes Alkanol ist ein Alkohol, aber nicht umgekehrt. Z. B. gibt es auch Alkohole mit mehreren Hydroxygruppen. „Alkohol“ ist der Oberbegriff. Zu den Alkoholen gehören also die Alkanole, aber auch andere Stoffe, deren Moleküle eine oder mehrere Hydroxy- gruppen aufweisen. Die Endung „-ol“ bedeutet, dass im Molekül eine OH-Gruppe als funktionelle Gruppe vorhanden ist. Die Alkanole lassen sich in einer Reihe anordnen. Aufeinanderfolgende Glieder dieser Reihe unterscheiden sich dadurch, dass ihre Moleküle immer einen um eine CH2-Gruppe erweiterten Alkylrest aufweisen. So ergibt sich eine homologe Reihe. Die allgemeine Summenformel der Alkanole lautet: CnH2 n + 1OH.

    1 Ergänze Name und Strukturformel des auf Butan-1-ol folgenden Alkanols in der homologen Reihe der Alkanole.

    2 Wie bei den Alkanen (Kap. 5.9) gibt es bei den Alkanolen Strukturisomere, weil ihr Alkylrest ebenfalls verzweigt sein kann. Zusätzlich kann die Hydroxygruppe im Molekül an unterschiedliche Kohlenstoff-Atome gebunden sein kann. Zur