Transcript 2.Klasse_3.4_Inermolekulare_Kräfte

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.
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.
Dipol-Dipol-Kräfte
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
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.
2) Wasserstoff-Brücken
Wasserstoff-Brücken sind die stärksten intermolekulare Kräfte. Damit
sie auftreten braucht es polare Bindungen zwischen WasserstoffAtomen 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
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.
H-Brücken:
Anomalie von Wasser
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.
H-Brücken:
Anomalie von Wasser
- Welche Auswirkungen hat die Anomalie von Wasser auf biologische
Systeme?
H-Brücken:
Anomalie von Wasser
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-Kräfte
Van-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.
3) Van-der-Waals-Kräfte
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
Van-der-Waals-Kräfte
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.
Van-der-Waals-Kräfte
http://www.youtube.com/watch?v=6
Rf66V0PeJw
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
Mischbarkeit: Experimente 1
H2O
CH4O
H2O
+
+
CH4O
x
C6H14
x
x
C8H18
x
x
C6H14 C8H18
-
-
-
+
x
Mischbarkeit: Experimente 1
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.
Mischbarkeit: Experimente 2
Wir versuchen die beiden Alkohole Ethanol und Propanol mit Wasser
bzw. Hexan zu mischen. Methylenblau dient als Indikator.
Mischbarkeit: Experimente 2
H2O
C6H14
Ethanol
+
etwas
Propanol
etwas
+
Mischbarkeit: Experimente 2
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