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Textaufgaben: Dipolmoleküle

Zwei Sachaufgaben vom Düngergas Ammoniak bis zum Nagellackentferner am geladenen Stab.

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1

Ammoniak und Bortrifluorid

AFB I–II

Ammoniak NH₃ ist ein stechend riechendes Gas und Ausgangsstoff für fast alle Stickstoffdünger. Bortrifluorid BF₃ ist ebenfalls ein Gas; es wird in der Industrie als Hilfsstoff bei Reaktionen eingesetzt. Beide Moleküle bestehen aus einem Zentralatom und drei gleichen Bindungspartnern.

  1. Zeichne die Lewis-Formeln von NH₃ und BF₃.
  2. Bestimme mit dem EPA-Modell die räumliche Form beider Moleküle.
  3. Weise nach, dass NH₃ ein Dipolmolekül ist, BF₃ dagegen nicht.
  4. Erläutere an diesem Beispiel, warum man aus einer Summenformel wie XY₃ allein nicht auf die Polarität eines Moleküls schließen kann.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
N hat 5, B hat 3, H 1 und F 7 Valenzelektronen. Bor bildet hier eine Ausnahme vom Oktett.Zeichnen: hinreichend exakte grafische Darstellung.
Hinweis zu Aufgabe b)
Zähle die Elektronenpaare am Zentralatom — freie Paare zählen mit.
Hinweis zu Aufgabe c)
Berechne ΔEN beider Bindungsarten, trage Teilladungen ein und vergleiche die Lage der Ladungsschwerpunkte.
Hinweis zu Aufgabe d)
Was unterscheidet die beiden Zentralatome? Welche Rolle spielt das freie Elektronenpaar?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

NH₃: N in der Mitte mit drei Einfachbindungen zu H und einem freien Elektronenpaar (Strich am N).

BF₃: B in der Mitte mit drei Einfachbindungen zu F; jedes F-Atom trägt drei freie Elektronenpaare, das B-Atom keines (nur 6 Elektronen — Ausnahme vom Oktett).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

NH₃: vier Elektronenpaare am N → tetraedrische Anordnung; ein Paar ist frei, die Atome bilden eine trigonale Pyramide (Winkel etwa 107°).

BF₃: drei Bindungspaare, kein freies Paar → trigonal-planar mit 120°-Winkeln.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

ΔEN(N–H) = 3,0 − 2,2 = 0,8; ΔEN(B–F) = 4,0 − 2,0 = 2,0 — beide Bindungsarten sind polar (N δ−, H δ+; F δ−, B δ+).

In der Pyramide des NH₃ liegt der Schwerpunkt der δ+ in der Grundfläche der drei H-Atome, der Schwerpunkt der δ− am N-Atom an der Spitze: getrennt → Dipol. Im ebenen, symmetrischen BF₃ liegen beide Schwerpunkte im B-Atom → kein Dipol, obwohl die Bindungen sogar polarer sind.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Beide Stoffe haben die Formel XY₃, aber verschiedene Formen: Das freie Elektronenpaar am Stickstoff drückt die drei H-Atome zu einer Pyramide zusammen, Bor hat kein freies Paar, sodass die drei F-Atome eben und gleichmäßig verteilt sind.

Ob ein Molekül ein Dipol ist, hängt also von der Zahl der freien Elektronenpaare am Zentralatom und damit von der Geometrie ab — dazu braucht man die Lewis-Formel und das EPA-Modell, nicht nur die Summenformel.

2

Zwei Strahlen, zwei Ergebnisse

AFB II–III

Im Chemieunterricht lässt eine Gruppe zwei farblose Flüssigkeiten aus Büretten in dünnen Strahlen auslaufen: Cyclohexan (Moleküle nur aus C- und H-Atomen, ringförmig und gleichmäßig gebaut) und Propanon (Aceton, Nagellackentferner; das Molekül enthält eine C=O-Doppelbindung an einer Seite). Neben jeden Strahl wird ein mit einem Wolltuch geriebener, negativ geladener Kunststoffstab gehalten.

Versuch: Flüssigkeitsstrahlen am negativ geladenen Kunststoffstab
Cyclohexan−−−−Propanon (Aceton)−−−−
Links bleibt der Strahl gerade, rechts wird er zum Stab hin abgelenkt.
  1. Beschreibe die Beobachtungen aus der Abbildung.
  2. Deute die Beobachtungen mithilfe des Dipolbegriffs.
  3. Stelle eine begründete Vermutung auf, was man beobachtet, wenn statt des Kunststoffstabs ein positiv geladener Glasstab verwendet wird.
  4. Ein Schüler folgert: „Der Propanon-Strahl wird vom negativen Stab angezogen. Also sind Propanon-Moleküle positiv geladen.“ Widerlege diese Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Vergleiche den Verlauf beider Strahlen in der Nähe des Stabs.Beschreiben: geordnet und fachsprachlich wiedergeben.
Hinweis zu Aufgabe b)
Welche Bindungen in den Molekülen sind polar? Sind die Moleküle symmetrisch gebaut?
Hinweis zu Aufgabe c)
Wie richten sich Dipole im Strahl vor einem positiven Stab aus?
Hinweis zu Aufgabe d)
Stimmt die Beobachtung auch, wenn der Stab umgekehrt geladen ist? Und sind Moleküle überhaupt geladen?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Der Cyclohexan-Strahl läuft senkrecht am Stab vorbei, er wird nicht abgelenkt. Der Propanon-Strahl wird in der Nähe des Stabs deutlich zum Stab hin gebogen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Cyclohexan-Moleküle enthalten nur C–C- und C–H-Bindungen (ΔEN 0 bzw. 0,4) und sind symmetrisch gebaut — sie sind keine Dipole und werden vom Stab nicht beeinflusst.

Propanon enthält die polare C=O-Gruppe (ΔEN 0,8) an einer Seite des Moleküls; die Ladungsschwerpunkte fallen nicht zusammen, es ist ein Dipolmolekül. Die Moleküle drehen ihren positiven Pol zum negativen Stab; dieser Pol ist näher und wird stärker angezogen als der andere abgestoßen — der Strahl wird zum Stab gezogen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Vermutung: Auch der positive Glasstab zieht den Propanon-Strahl an. Die Dipole drehen sich nun mit dem negativen Pol (Sauerstoffseite) zum Stab; wieder überwiegt die Anziehung des näheren Pols. Der Cyclohexan-Strahl bleibt weiterhin gerade.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Folgerung ist falsch. Wären Propanon-Moleküle positiv geladen, müsste ein positiver Stab den Strahl abstoßen — er zieht ihn aber ebenfalls an (vgl. c). Außerdem sind Moleküle elektrisch neutral: Die Teilladungen δ+ und δ− entstehen nur durch Verschiebung der Elektronenpaare und gleichen sich im Molekül aus.

Richtig ist: Propanon-Moleküle sind Dipole mit zwei entgegengesetzt geladenen Polen.