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Textaufgaben: Molekülgeometrien

Zwei Sachaufgaben vom Chlorgeruch im Hallenbad bis zum Molekülbaukasten.

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1

Der „Chlorgeruch“ im Hallenbad

AFB I–II

Der typische Hallenbadgeruch stammt nicht vom Chlor selbst. Das Desinfektionsmittel reagiert mit Harnstoff und anderen Stickstoffverbindungen aus Schweiß und Urin zu Chloraminen, zum Beispiel Monochloramin \(\mathrm{NH_2Cl}\) und Trichloramin \(\mathrm{NCl_3}\). Trichloramin reizt Augen und Atemwege; gute Lüftung und Duschen vor dem Schwimmen verringern seine Bildung. In beiden Molekülen ist das N-Atom das Zentralatom.

  1. Erstelle die Lewis-Formeln von \(\mathrm{NH_2Cl}\) und \(\mathrm{NCl_3}\).
  2. Ermittle mit dem EPA-Modell die Molekülgestalt beider Moleküle.
  3. Vergleiche \(\mathrm{NCl_3}\) mit Bortrichlorid \(\mathrm{BCl_3}\) hinsichtlich der Wolken am Zentralatom und der Gestalt.
  4. Ein Badegast meint: „Die drei gleichen Cl-Atome im Trichloramin verteilen sich gleichmäßig um das N-Atom — das Molekül ist deshalb flach wie ein Dreieck.“ Beurteile diese Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
N steht in der 5. Hauptgruppe und ist 3-bindig; Cl ist 1-bindig.Erstellen: vollständig und beschriftet anfertigen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Zähle am N-Atom Bindungen und freie Paare — und denk daran: Die Gestalt zählt nur Atome.
Hinweis zu Aufgabe c)
B steht in der 3. Hauptgruppe: Wie viele Valenzelektronen bleiben nach drei Bindungen übrig?
Hinweis zu Aufgabe d)
Welche Rolle spielt das freie Elektronenpaar am N-Atom?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\(\mathrm{NH_2Cl}\): 5 + 2 + 7 = 14 Elektronen = 7 Striche; \(\mathrm{NCl_3}\): 5 + 21 = 26 Elektronen = 13 Striche.

NHHClNClClCl

In beiden Molekülen trägt N drei Bindungen und ein freies Paar, jedes Cl drei freie Paare.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Am N-Atom: 3 bindende + 1 freies Paar = 4 Wolken → tetraedrische Anordnung.

Ohne das „unsichtbare“ freie Paar bilden die Atome eine dreiseitige Pyramide mit N an der Spitze: beide Moleküle sind trigonal-pyramidal.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

\(\mathrm{BCl_3}\): B hat 3 Valenzelektronen, drei Bindungen, kein freies Paar → 3 Wolken, trigonal-planar, flach, 120°.

\(\mathrm{NCl_3}\): 4 Wolken (davon 1 freies Paar), trigonal-pyramidal, Winkel unter 109,5°. Trotz gleicher Formelart (XCl₃) unterscheiden sich die Gestalten, weil nur N ein freies Elektronenpaar trägt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist falsch. Sie berücksichtigt nur die drei Bindungen und übersieht das freie Elektronenpaar am N-Atom. Es ist eine vierte Wolke und drückt die drei N–Cl-Bindungen nach unten.

Die vier Wolken stehen tetraedrisch; die Atome bilden eine Pyramide, kein flaches Dreieck. Flach wäre das Molekül nur ohne freies Paar, wie bei \(\mathrm{BCl_3}\).

2

Der Molekülbaukasten

AFB II–III

Im Unterricht hat eine Gruppe mit einem Kugel-Stab-Baukasten vier Moleküle gebaut: Sauerstoffdifluorid \(\mathrm{OF_2}\), Kohlenstoffdisulfid \(\mathrm{CS_2}\), Siliciumtetrafluorid \(\mathrm{SiF_4}\) und Phosphortrichlorid \(\mathrm{PCl_3}\). Leider sind die Beschriftungen abgefallen.

Vier Kugel-Stab-Modelle aus dem Baukasten
Modell AModell BModell CModell D
Freie Elektronenpaare sind im Baukasten nicht dargestellt. Keil = nach vorn, gestrichelt = nach hinten.
  1. Ordne den vier Modellen A bis D die vier Moleküle zu.
  2. Begründe deine Zuordnung für die Modelle A und C, die beide aus drei Atomen bestehen.
  3. Im Baukasten gibt es keine Teile für freie Elektronenpaare. Erläutere am Beispiel von Modell D, warum man die freien Paare beim Bauen trotzdem berücksichtigen muss.
  4. Entwickle ein Ablaufschema, mit dem man für ein Molekül mit einem Zentralatom die Gestalt bestimmen kann, und wende es auf \(\mathrm{SiF_4}\) an.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Zähle für jedes Molekül die Wolken und freien Paare am Zentralatom und vergleiche mit den Modellen.Zuordnen: begründet zuweisen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Welches Zentralatom trägt freie Paare — O in OF₂ oder C in CS₂?
Hinweis zu Aufgabe c)
Was würde passieren, wenn man PCl₃ nur mit drei Bindungen „so weit wie möglich auseinander“ baut?
Hinweis zu Aufgabe d)
Denke an die drei Schritte: Lewis-Formel, Wolken zählen, Gestalt ablesen. Verzweigungen nach Zahl der Wolken und freien Paare.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

A (gewinkelt): \(\mathrm{OF_2}\); B (tetraedrisch): \(\mathrm{SiF_4}\).

C (linear): \(\mathrm{CS_2}\); D (trigonal-pyramidal): \(\mathrm{PCl_3}\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\(\mathrm{CS_2}\) (S=C=S): Das C-Atom hat zwei Doppelbindungen und kein freies Paar — 2 Wolken, linear → Modell C.

\(\mathrm{OF_2}\): Das O-Atom hat zwei Bindungen und zwei freie Paare — 4 Wolken, tetraedrisch angeordnet; ohne die freien Paare bleibt ein Knick → Modell A.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

\(\mathrm{PCl_3}\): Am P-Atom sitzen drei Bindungen und ein freies Paar. Würde man nur die drei Bindungen berücksichtigen, läge das Molekül flach (trigonal-planar, 120°).

Tatsächlich beansprucht das freie Paar eine vierte Richtung; die drei Bindungen werden nach unten gedrückt, und es entsteht eine Pyramide. Wer mit dem Baukasten richtig bauen will, muss sich die vierte „leere“ Richtung dazudenken.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Schema: (1) Lewis-Formel aufstellen → (2) am Zentralatom Wolken zählen (jede Bindung und jedes freie Paar = 1) → (3) Anordnung: 2 linear, 3 trigonal-planar, 4 tetraedrisch → (4) freie Paare weglassen: 4 Wolken mit 1 freien Paar trigonal-pyramidal, mit 2 freien Paaren gewinkelt; 3 Wolken mit 1 freien Paar gewinkelt; sonst Gestalt = Anordnung.

\(\mathrm{SiF_4}\): Si (4 Valenzelektronen) mit vier Einfachbindungen, kein freies Paar → 4 Wolken, tetraedrisch; Gestalt tetraedrisch, 109,5°.