Chlorverbindungen in der Chipfabrik
AFB I–IIFür Computerchips braucht man extrem reines Silicium. Es wird aus Siliciumtetrachlorid \(\mathrm{SiCl_4}\) gewonnen, einer farblosen, an feuchter Luft rauchenden Flüssigkeit. Beim Dotieren, also dem gezielten Einbau von Fremdatomen, wird unter anderem Bortrichlorid \(\mathrm{BCl_3}\) eingesetzt. Messungen zeigen: \(\mathrm{SiCl_4}\) ist räumlich gebaut, \(\mathrm{BCl_3}\) ist völlig flach.
- Gib für \(\mathrm{SiCl_4}\) und \(\mathrm{BCl_3}\) jeweils die Zahl der Valenzelektronen des Zentralatoms und die Zahl der Elektronenpaarwolken am Zentralatom an.
- Zeichne das Molekül \(\mathrm{SiCl_4}\) in Keil-Strich-Schreibweise und gib den Bindungswinkel an.
- Erkläre mit dem EPA-Modell, warum \(\mathrm{BCl_3}\) flach gebaut ist, \(\mathrm{SiCl_4}\) aber nicht.
- Überprüfe, ob im \(\mathrm{BCl_3}\)-Molekül alle Atome die Oktettregel erfüllen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\mathrm{SiCl_4}\): Si hat 4 Valenzelektronen; vier Si–Cl-Bindungen, kein freies Paar → 4 Wolken.
\(\mathrm{BCl_3}\): B hat 3 Valenzelektronen; drei B–Cl-Bindungen, kein freies Paar → 3 Wolken.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Tetraeder: Si in der Mitte, vier Cl-Atome in den Ecken:
Bindungswinkel Cl–Si–Cl: 109,5°.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Elektronenpaare stoßen sich ab und gehen so weit wie möglich auseinander. Am B-Atom gibt es nur drei Wolken; der größte Abstand wird erreicht, wenn sie in einer Ebene in die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks zeigen (trigonal-planar, 120°).
Am Si-Atom sind es vier Wolken; in einer Ebene hätten sie nur 90° Abstand, im Raum (Tetraeder) dagegen 109,5°. Deshalb ist \(\mathrm{SiCl_4}\) räumlich gebaut.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Jedes Cl-Atom hat eine Bindung und drei freie Paare = 8 Elektronen: Oktett erfüllt.
Das B-Atom hat nur drei bindende Paare = 6 Elektronen: Es erfüllt die Oktettregel nicht (Elektronenmangel). \(\mathrm{BCl_3}\) ist eine Ausnahme von der Oktettregel — und reagiert deshalb gern mit Teilchen, die ein freies Elektronenpaar anbieten.
Das Luftballon-Modell
AFB II–IIIIm Chemieunterricht werden gleich große, aufgeblasene Luftballons in der Mitte fest zusammengeknotet. Ohne dass man nachhilft, nehmen sie immer dieselbe Anordnung ein (siehe Abbildung).
- Beschreibe die Anordnung der Ballons bei zwei, drei und vier Ballons.
- Deute den Versuch mithilfe des EPA-Modells: Wofür stehen Knoten und Ballons, und warum entstehen gerade diese Anordnungen?
- Entwickle ein Ballonmodell für das Molekül Stickstofftrifluorid \(\mathrm{NF_3}\) (N mit drei Bindungen und einem freien Elektronenpaar) und beschreibe die zu erwartende Form.
- Diskutiere Stärken und Grenzen des Luftballon-Modells.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Zwei Ballons zeigen in entgegengesetzte Richtungen (linear, 180°). Drei Ballons liegen in einer Ebene und zeigen in die Ecken eines Dreiecks (trigonal-planar, 120°).
Vier Ballons sind räumlich angeordnet und zeigen in die Ecken eines Tetraeders (109,5°).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der Knoten steht für das Zentralatom, jeder Ballon für eine Elektronenpaarwolke. Die Ballons verdrängen sich gegenseitig und nehmen die Anordnung ein, in der sie den meisten Platz haben.
Genauso stoßen sich die negativ geladenen Elektronenpaare ab und ordnen sich mit größtmöglichem Abstand an — deshalb entstehen dieselben Grundformen linear, trigonal-planar und tetraedrisch.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Man knotet vier Ballons zusammen: drei gleich große für die N–F-Bindungen und einen etwas größeren (anders gefärbten) für das freie Elektronenpaar.
Die vier Ballons ordnen sich tetraedrisch an; der große Ballon drückt die drei anderen etwas zusammen. Betrachtet man nur die Atome (N und die drei F an den Enden der kleinen Ballons), entsteht eine flache dreiseitige Pyramide mit N an der Spitze; die F–N–F-Winkel sind kleiner als 109,5° (gemessen etwa 102°).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Stärken: Das Modell macht anschaulich, dass sich Wolken gegenseitig verdrängen, und liefert ohne Rechnung die richtigen Grundformen im Raum. Mit unterschiedlich großen Ballons lässt sich sogar der größere Platzbedarf freier Paare zeigen.
Grenzen: Ballons stoßen sich nur mechanisch ab, nicht elektrisch; Atomkerne und Bindungspartner fehlen; Winkel lassen sich nur grob ablesen, Bindungslängen gar nicht. Mehrfachbindungen müsste man als einen (dickeren) Ballon darstellen. Insgesamt ist es ein gutes Anschauungsmodell für die Anordnung, aber kein Messinstrument.