MINT lernen

Textaufgaben: Die Lewis-Schreibweise

Zwei Sachaufgaben vom Raketentreibstoff bis zum Kältemittel im alten Kühlschrank.

Dein Fortschritt:
0 / 0 Aufgaben
1

Hydrazin – ein Raketentreibstoff

AFB I–II

Hydrazin \(\mathrm{N_2H_4}\) ist eine farblose, giftige Flüssigkeit. Es dient als Treibstoff für die kleinen Steuerdüsen von Satelliten und Raumsonden: An einem Katalysator zerfällt es in heiße Gase. Früher wurde es mit Wasserstoffperoxid \(\mathrm{H_2O_2}\) kombiniert, das ebenfalls aus vier Atomen zweier Elemente besteht.

  1. Gib die Zahl der Valenzelektronen eines N-Atoms, eines H-Atoms und des ganzen Hydrazin-Moleküls an.
  2. Zeichne die Lewis-Formel von Hydrazin; die beiden N-Atome sind miteinander verbunden.
  3. Wasserstoffperoxid hat die Lewis-Formel H–O–O–H mit zwei freien Elektronenpaaren an jedem O-Atom. Vergleiche die Lewis-Formeln von Hydrazin und Wasserstoffperoxid.
  4. Begründe, warum in beiden Molekülen die zwei „schweren“ Atome direkt miteinander verbunden sein müssen und nicht über ein H-Atom.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
N steht in der 5. Hauptgruppe, H in der 1.Angeben: Zahlen ohne Erläuterung nennen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erst die Striche zählen (Summe : 2), dann das Gerüst H₂N–NH₂, dann den Rest verteilen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Achte auf: Zahl der Valenzelektronen, Zahl der Bindungen je Zentralatom, Zahl der freien Paare.
Hinweis zu Aufgabe d)
Wie viele Bindungen kann ein H-Atom eingehen?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

N: 5 Valenzelektronen, H: 1 Valenzelektron.

\(\mathrm{N_2H_4}\): \(2\cdot5+4\cdot1=14\) Valenzelektronen (7 Striche).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Gerüst: N–N, jedes N trägt zwei H-Atome (5 Striche). Die restlichen 2 Striche sind je ein freies Paar an jedem N-Atom:

NNHHHH

Kontrolle: jedes N 3 bindende + 1 freies Paar = 8 Elektronen, jedes H 2.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Gemeinsam: Beide Moleküle haben 14 Valenzelektronen (7 Striche), eine Bindung zwischen den beiden schweren Atomen und außen H-Atome; alle Atome erfüllen Oktett bzw. Duett.

OOHH

Unterschied: N ist 3-bindig und trägt 2 H-Atome und 1 freies Paar; O ist 2-bindig und trägt nur 1 H-Atom, dafür 2 freie Paare. Hydrazin hat 5 bindende und 2 freie Paare, Wasserstoffperoxid 3 bindende und 4 freie Paare.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Ein H-Atom hat nur ein Valenzelektron und erreicht schon mit einer einzigen Bindung das Duett (Heliumkonfiguration). Es kann deshalb keine zwei Atome miteinander verbinden und steht immer am Rand.

Die beiden N- bzw. O-Atome können nur über eine direkte N–N- bzw. O–O-Bindung zusammenhängen.

2

Kältemittel im alten Kühlschrank

AFB II–III

Bis in die 1990er-Jahre steckte in vielen Kühlschränken das Kältemittel Dichlordifluormethan \(\mathrm{CCl_2F_2}\), ein FCKW. Es ist ungiftig und unbrennbar, schädigt aber die Ozonschicht und ist deshalb verboten. Stickstofftrifluorid \(\mathrm{NF_3}\) wird heute zum Reinigen von Anlagen in der Chipfertigung eingesetzt. Lena hat dazu eine Lewis-Formel gezeichnet.

Lenas Vorschlag für Stickstofftrifluorid NF₃
NFFF
Bindende Elektronenpaare blau, freie Elektronenpaare orange.
  1. Bestimme die Zahl der Valenzelektronen und der Striche in der Lewis-Formel von \(\mathrm{CCl_2F_2}\).
  2. Erstelle die Lewis-Formel von \(\mathrm{CCl_2F_2}\) mit C als Zentralatom.
  3. Überprüfe Lenas Lewis-Formel für \(\mathrm{NF_3}\) und korrigiere sie gegebenenfalls.
  4. Tim meint: „An der Lewis-Formel kann man sehen, wie ein Molekül räumlich gebaut ist — CCl₂F₂ ist also flach und hat die Form eines Kreuzes.“ Beurteile diese Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
C: 4. Hauptgruppe, Cl und F: 7. Hauptgruppe.Bestimmen: Lösungsweg darstellen und Ergebnis formulieren.
Hinweis zu Aufgabe b)
C ist 4-bindig; jedes Halogenatom ist 1-bindig und braucht noch freie Paare.
Hinweis zu Aufgabe c)
Zähle die Valenzelektronen von NF₃ und vergleiche mit der Zahl der Striche in Lenas Formel. Prüfe jedes Atom einzeln.
Hinweis zu Aufgabe d)
Zeigt die Lewis-Formel Winkel und Raum — oder nur, wer mit wem verbunden ist?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\(4+2\cdot7+2\cdot7=32\) Valenzelektronen.

\(32:2=16\) Striche.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

C in der Mitte mit vier Einfachbindungen zu den zwei Cl- und zwei F-Atomen (4 Striche); jedes Halogenatom trägt drei freie Paare (12 Striche):

CClClFF

Kontrolle: 16 Striche; C, Cl und F haben je 8 Elektronen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

\(\mathrm{NF_3}\) hat \(5+3\cdot7=26\) Valenzelektronen, also 13 Striche. Lenas Formel hat nur 12 Striche (3 bindende, 9 freie Paare) = 24 Elektronen.

Die F-Atome sind richtig (je 8 Elektronen), aber das N-Atom ist nur von 6 Elektronen umgeben. Korrektur: Das N-Atom bekommt ein freies Elektronenpaar — dann hat es 3 bindende + 1 freies Paar = 8 Elektronen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist falsch. Die Lewis-Formel zeigt nur, welche Atome verbunden sind und wo freie Elektronenpaare sitzen. Man zeichnet sie flach auf Papier, die rechten Winkel sind reine Zeichenkonvention.

Wie das Molekül tatsächlich im Raum gebaut ist, muss man mit einem weiteren Modell ermitteln (EPA-Modell, 1.2.1): \(\mathrm{CCl_2F_2}\) ist räumlich gebaut, nicht flach.