Die Halogene im Vergleich
AFB I–IIDie Elemente der 7. Hauptgruppe heißen Halogene („Salzbildner“). Als Elemente bestehen sie alle aus zweiatomigen Molekülen: Fluor und Chlor sind bei Raumtemperatur Gase, Brom ist eine rotbraune Flüssigkeit, Iod bildet grauviolette Kristalle, die beim Erwärmen violette Dämpfe bilden. Die Tabelle zeigt Messwerte für die Atombindung in den vier Molekülen.
| Molekül | Bindungslänge | Bindungsenergie |
|---|---|---|
| \(\mathrm{F_2}\) | 142 pm | 159 kJ/mol |
| \(\mathrm{Cl_2}\) | 199 pm | 242 kJ/mol |
| \(\mathrm{Br_2}\) | 228 pm | 193 kJ/mol |
| \(\mathrm{I_2}\) | 267 pm | 151 kJ/mol |
- Beschreibe mithilfe des Schalenmodells, wie aus zwei Bromatomen ein Brommolekül entsteht.
- Erkläre die Zunahme der Bindungslänge von \(\mathrm{F_2}\) nach \(\mathrm{I_2}\).
- Werte die Bindungsenergien aus: Formuliere den Zusammenhang zwischen Bindungslänge und Bindungsenergie für \(\mathrm{Cl_2}\), \(\mathrm{Br_2}\) und \(\mathrm{I_2}\) und nenne das Molekül, das nicht in diesen Trend passt.
- Iod-Dampf wird stark erhitzt, bis alle Moleküle in Atome gespalten sind. Berechne die Energie, die man zum Spalten von 25,4 g Iod braucht (\(M(\mathrm{I})=126{,}9\) g/mol).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ein Bromatom hat 7 Valenzelektronen auf der Außenschale (4. Schale); ihm fehlt ein Elektron zum Oktett. Zwei Bromatome nähern sich, ihre Außenschalen überlappen. Je ein ungepaartes Elektron beider Atome bildet ein gemeinsames Elektronenpaar zwischen den Kernen.
Das Paar wird von beiden Atomkernen angezogen und zählt für beide Außenschalen: Jedes Bromatom hat nun 8 Außenelektronen (Edelgaskonfiguration wie Krypton). Es entsteht das Molekül \(\mathrm{Br_2}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Von Fluor (2. Periode) bis Iod (5. Periode) kommt mit jeder Periode eine besetzte Schale hinzu. Die Außenelektronen sind weiter vom Kern entfernt, die Atome werden größer.
Der Abstand der Kerne im Energieminimum — die Bindungslänge — wächst deshalb von 142 pm auf 267 pm.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Von \(\mathrm{Cl_2}\) über \(\mathrm{Br_2}\) zu \(\mathrm{I_2}\) wird die Bindung länger (199 → 228 → 267 pm) und die Bindungsenergie kleiner (242 → 193 → 151 kJ/mol): Je länger die Bindung, desto schwächer ist sie, weil das gemeinsame Elektronenpaar weiter von den Kernen entfernt ist und schwächer angezogen wird.
\(\mathrm{F_2}\) passt nicht: Es hat die kürzeste Bindung, aber mit 159 kJ/mol eine kleinere Bindungsenergie als \(\mathrm{Cl_2}\). (Grund, nicht verlangt: Die kleinen Fluoratome tragen ihre übrigen Elektronen so dicht beieinander, dass sie sich gegenseitig stark abstoßen.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(M(\mathrm{I_2})=2\cdot126{,}9\text{ g/mol}=253{,}8\text{ g/mol}\); \(n=\dfrac{25{,}4\text{ g}}{253{,}8\text{ g/mol}}\approx0{,}100\text{ mol}\).
\(E=0{,}100\text{ mol}\cdot151\text{ kJ/mol}\approx15{,}1\text{ kJ}\). Zum Spalten müssen rund 15 kJ zugeführt werden.
Chlorwasserstoff im Diagramm
AFB II–IIIChlorwasserstoff \(\mathrm{HCl}\) ist ein farbloses, stechend riechendes Gas; in Wasser gelöst ergibt es Salzsäure. Im Labor kann man es aus den Elementen herstellen: \(\mathrm{H_2 + Cl_2 \longrightarrow 2\,HCl}\). Das Diagramm zeigt, wie sich die Energie eines Wasserstoff- und eines Chloratoms mit ihrem Kernabstand ändert.
- Lies die Bindungslänge und die Bindungsenergie des HCl-Moleküls aus dem Diagramm ab.
- Deute den Verlauf der Kurve in den drei Bereichen \(r>300\) pm, \(130\) pm \(<r<300\) pm und \(r<127\) pm.
- Vergleiche die H–Cl-Bindung mit der Cl–Cl-Bindung (199 pm, 242 kJ/mol) hinsichtlich Länge und Stärke.
- Ein Schüler behauptet: „Beim Bilden von HCl wird Energie frei. Also kann man mit HCl heizen, indem man die Moleküle wieder in Atome spaltet.“ Beurteile diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Tiefster Punkt der Kurve: \(r\approx127\) pm (130 pm ± 5 pm werden akzeptiert), \(E\approx-430\) kJ/mol.
Bindungslänge ≈ 127 pm, Bindungsenergie ≈ 432 kJ/mol.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(r>300\) pm: Die Energie ist praktisch null — die Atome wirken kaum aufeinander. Zwischen etwa 130 pm und 300 pm sinkt die Energie: Die Atomhüllen überlappen, jeder Kern zieht auch das Elektron des anderen Atoms an; die Anziehung überwiegt.
Bei \(r<127\) pm steigt die Energie steil an: Die Abstoßung der Kerne (und der Elektronen) überwiegt. Im Minimum dazwischen liegt das stabile HCl-Molekül.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die H–Cl-Bindung ist mit 127 pm deutlich kürzer als die Cl–Cl-Bindung mit 199 pm, weil das H-Atom viel kleiner ist als ein Cl-Atom.
Sie ist außerdem fast doppelt so stark: 432 kJ/mol gegenüber 242 kJ/mol. Kürzere Bindung, näher an den Kernen gebundenes Elektronenpaar — stärkere Bindung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist falsch. Beim Spalten einer Bindung wird keine Energie frei, sondern es müssen 432 kJ pro Mol zugeführt werden — genau so viel, wie beim Bilden frei wurde.
Wer HCl spaltet und die Atome dann wieder zu HCl reagieren lässt, gewinnt insgesamt nichts. Energie zum Heizen liefert nur eine Reaktion, bei der stärkere Bindungen entstehen, als gespalten werden (hier: \(\mathrm{H_2 + Cl_2 \longrightarrow 2\,HCl}\)).