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Dipol-Dipol und H-Brücken

Zwei Sachaufgaben: vom abgelenkten Wasserstrahl bis zum Frostschutzmittel.

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Der abgelenkte Wasserstrahl

AFB I–II

Ein Kunststoffstab wird mit einem Wolltuch gerieben und elektrisch aufgeladen. Hält man ihn neben einen dünnen Wasserstrahl aus einer Bürette, wird der Strahl deutlich zum Stab hin abgelenkt. Ein Strahl aus Heptan (\(\ce{C7H16}\)) läuft dagegen unbeeinflusst gerade nach unten.

  1. Nenne die Elektronegativitätsdifferenzen der O–H- und der C–H-Bindung (EN: H 2,2 · C 2,5 · O 3,5).
  2. Stelle ein Wassermolekül als Strukturformel mit freien Elektronenpaaren und Partialladungen dar.
  3. Erkläre die unterschiedliche Ablenkung der beiden Flüssigkeitsstrahlen.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Subtrahiere jeweils den kleineren vom größeren Wert.
Hinweis zu Aufgabe b)
Das Molekül ist gewinkelt, das O-Atom hat zwei freie Elektronenpaare.
Hinweis zu Aufgabe c)
Welche Moleküle sind Dipole? Wie richten sich Dipole im elektrischen Feld aus?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

O–H: ΔEN = 3,5 − 2,2 = 1,3 (polar). C–H: ΔEN = 2,5 − 2,2 = 0,3 (praktisch unpolar).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Gewinkeltes H–O–H (ca. 105°), zwei freie Elektronenpaare am O; δ− am O-Atom, δ+ an beiden H-Atomen. Die Schwerpunkte von positiver und negativer Teilladung fallen nicht zusammen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Wassermoleküle sind Dipole: Sie drehen sich im Feld des geladenen Stabs so, dass ihr entgegengesetzt geladenes Ende zum Stab zeigt, und werden angezogen. Heptanmoleküle besitzen nur nahezu unpolare C–C- und C–H-Bindungen, sind also keine Dipole — der Strahl bleibt unbeeinflusst.

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Kühlerflüssigkeit im Auto

AFB II–III

Die Kühlerflüssigkeit im Auto ist ein Gemisch aus Wasser und Ethandiol. Sie soll sich auch im heißen Motor nicht leicht verflüchtigen. Die Tabelle zeigt drei Stoffe mit ähnlicher Molekülmasse.

StoffStrukturformel (verkürzt)Sdp.
ButanCH₃–CH₂–CH₂–CH₃−1 °C
Propan-1-olCH₃–CH₂–CH₂–OH97 °C
EthandiolHO–CH₂–CH₂–OH197 °C
  1. Ermittle die molaren Massen der drei Stoffe (C = 12, H = 1, O = 16 g/mol).
  2. Deute die großen Unterschiede der Siedetemperaturen mithilfe der zwischenmolekularen Kräfte.
  3. Nimm Stellung zur Aussage: „Je schwerer ein Molekül, desto höher liegt seine Siedetemperatur.“

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Stelle zuerst die Summenformeln auf: C₄H₁₀, C₃H₈O, C₂H₆O₂.
Hinweis zu Aufgabe b)
Zähle die O–H-Gruppen je Molekül.
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleiche Wasser (18 g/mol, 100 °C) mit Butan (58 g/mol).

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Butan: 4 · 12 + 10 · 1 = 58 g/mol. Propan-1-ol: 3 · 12 + 8 · 1 + 16 = 60 g/mol. Ethandiol: 2 · 12 + 6 · 1 + 2 · 16 = 62 g/mol.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Bei fast gleicher Masse sind die Van-der-Waals-Kräfte ähnlich. Butan hat keine polare Gruppe → nur Van-der-Waals-Kräfte, −1 °C. Propan-1-ol besitzt eine OH-Gruppe → H-Brücken, 97 °C. Ethandiol hat zwei OH-Gruppen → doppelt so viele H-Brücken je Molekül, 197 °C.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Aussage gilt nur innerhalb einer Stoffgruppe mit gleichen Kräften, z. B. in der homologen Reihe der Alkane. Allgemein ist sie falsch: Wasser ist dreimal leichter als Butan, siedet wegen der H-Brücken aber 101 K höher. Man muss immer zuerst die Art der zwischenmolekularen Kräfte prüfen, dann die Masse.