Kohlenstoffmonooxid – das unsichtbare Gift
AFB I–IIKohlenstoffmonooxid \(\mathrm{CO}\) entsteht, wenn Holz, Kohle oder Gas bei Sauerstoffmangel verbrennen, etwa in einer schlecht gewarteten Heizung. Das Gas ist farb- und geruchlos und schon in kleinen Mengen tödlich; deshalb hängen in vielen Heizungskellern CO-Melder. Die Tabelle vergleicht Bindungen zwischen einem C- und einem O-Atom.
| Bindung | Beispiel | Bindungslänge | Bindungsenergie |
|---|---|---|---|
| C–O | Methanol | 143 pm | 358 kJ/mol |
| C=O | Methanal | 121 pm | 745 kJ/mol |
| C≡O | Kohlenstoffmonooxid | 113 pm | 1072 kJ/mol |
- Nenne die Zahl der Valenzelektronen und der Striche in der Lewis-Formel von \(\mathrm{CO}\).
- Stelle die Lewis-Formel von \(\mathrm{CO}\) dar, in der beide Atome ein Oktett besitzen.
- Erläutere den Zusammenhang zwischen der Zahl der gemeinsamen Elektronenpaare, der Bindungslänge und der Bindungsenergie anhand der Tabelle.
- Ermittle die Energie, die nötig ist, um 14 g Kohlenstoffmonooxid vollständig in Atome zu zerlegen (\(M(\mathrm{C})=12\) g/mol, \(M(\mathrm{O})=16\) g/mol).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
C: 4, O: 6 — zusammen 10 Valenzelektronen.
10 : 2 = 5 Striche.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Dreifachbindung zwischen C und O (3 Striche), je ein freies Elektronenpaar an C und an O (2 Striche):
Kontrolle: C 3 + 1 = 4 Striche = 8 Elektronen, O ebenso; insgesamt 5 Striche = 10 Elektronen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Von der Einfach- über die Doppel- zur Dreifachbindung teilen C und O 1, 2 bzw. 3 Elektronenpaare. Die Bindungslänge sinkt dabei von 143 pm über 121 pm auf 113 pm, die Bindungsenergie steigt von 358 über 745 auf 1072 kJ/mol.
Je mehr Elektronenpaare zwischen den Kernen liegen, desto stärker werden beide Kerne angezogen: Sie rücken näher zusammen, und man braucht mehr Energie, um sie zu trennen. Die C≡O-Bindung ist eine der stärksten Bindungen überhaupt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(M(\mathrm{CO})=28\) g/mol, \(n=\dfrac{14\text{ g}}{28\text{ g/mol}}=0{,}5\) mol.
\(E=0{,}5\text{ mol}\cdot1072\text{ kJ/mol}=536\text{ kJ}\). Es müssen 536 kJ zugeführt werden.
Methanal in Spanplatten
AFB II–IIIMethanal \(\mathrm{CH_2O}\), auch Formaldehyd genannt, ist ein stechend riechendes Gas. Es steckt in manchen Leimen für Spanplatten und kann daraus langsam in die Raumluft entweichen; deshalb gibt es Grenzwerte. Gemessen wurden im Molekül die Bindungslängen 109 pm und 121 pm.
- Ordne die beiden Messwerte 109 pm und 121 pm den Bindungen a und b zu.
- Begründe, warum im Methanal die Doppelbindung zwischen C und O liegt und nicht zwischen C und einem H-Atom.
- Untersuche, ob die Anordnung H–C–O–H (ein H-Atom am C, eines am O) eine Lewis-Formel zulässt, in der alle Atome die Edelgaskonfiguration erreichen.
- Vergleiche Methanal mit Methanol \(\mathrm{CH_3OH}\) hinsichtlich der Lewis-Formel und der Länge der C–O-Bindung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
a (C–H): 109 pm, b (C=O): 121 pm.
Ein H-Atom ist viel kleiner als ein O-Atom; die C–H-Bindung ist deshalb kürzer, obwohl sie nur eine Einfachbindung ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
H ist 1-bindig: Mit einem gemeinsamen Elektronenpaar hat es bereits die Heliumkonfiguration (2 Elektronen) und kann kein weiteres Paar aufnehmen.
C (4-bindig) und O (2-bindig) können dagegen mehrere Paare teilen. Nach dem Gerüst fehlen C und O noch Elektronen — das gelingt nur mit einer zweiten gemeinsamen Bindung zwischen C und O.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
12 Valenzelektronen = 6 Striche. Gerüst H–C–O–H: 3 Striche. Das O-Atom braucht 2 freie Paare (2 Striche), es bleibt 1 Strich für das C-Atom:
Dann hat C nur 2 bindende + 1 freies Paar = 6 Elektronen. Eine Mehrfachbindung zum O ist nicht möglich, ohne dass O mehr als 8 Elektronen bekommt (O hat schon 2 Bindungen und 2 freie Paare). Diese Anordnung erfüllt die Oktettregel nicht; stabil ist nur \(\mathrm{H_2C=O}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Methanol \(\mathrm{CH_3OH}\) hat 14 Valenzelektronen und nur Einfachbindungen; das O trägt zwei freie Paare und ein H-Atom:
Methanal hat 12 Valenzelektronen und eine C=O-Doppelbindung. Gemeinsam: C ist 4-bindig, O hat zwei freie Paare und ein Oktett. Die C–O-Bindung ist im Methanol 143 pm lang, im Methanal nur 121 pm — die Doppelbindung ist kürzer und fast doppelt so stark (745 statt 358 kJ/mol).