Übung AFB III

Musterlösung: Natrium hat nur ein Valenzelektron auf der äußersten Schale. Es ist weit vom Kern entfernt und durch die inneren Schalen abgeschirmt, deshalb ist die erste Ionisierungsenergie klein. Gibt Natrium dieses Elektron ab, erreicht es die Elektronenkonfiguration von Neon. Um die Argon-Konfiguration zu erreichen, müsste es dagegen sieben Elektronen aufnehmen; jedes weitere Elektron würde von der wachsenden negativen Ladung stärker abgestoßen. Deshalb bilden Metalle Kationen und keine Anionen.

Musterlösung: Im Kochsalz liegen keine Atome, sondern Na⁺- und Cl⁻-Ionen vor. Sie bilden ein Ionengitter, in dem jedes Na⁺-Ion von sechs Cl⁻-Ionen umgeben ist und jedes Cl⁻-Ion von sechs Na⁺-Ionen. Die elektrostatische Anziehung wirkt in alle Richtungen gleich; kein Cl⁻ gehört zu einem bestimmten Na⁺. Es gibt also keine abgeschlossenen NaCl-Einheiten. „NaCl“ ist eine Verhältnisformel: Sie gibt nur an, dass Natrium- und Chlorid-Ionen im Verhältnis 1 : 1 vorliegen.

Musterlösung: Gemeinsam ist beiden: Sie sind Salze mit Ionengitter und Koordinationszahl 6. Unterschied: In NaCl tragen die Ionen einfache Ladungen (Na⁺, Cl⁻), in MgO doppelte (Mg²⁺, O²⁻). Außerdem sind Mg²⁺ und O²⁻ kleiner, sodass die Ionen näher beieinander liegen. Doppelte Ladungen und kleinerer Abstand führen zu einer deutlich stärkeren elektrostatischen Anziehung. Um das Gitter beim Schmelzen aufzulockern, ist deshalb viel mehr Energie nötig — MgO schmilzt erst bei etwa 2800 °C und wird als feuerfestes Material genutzt.

Musterlösung: Im Ionengitter wechseln sich positive und negative Ionen regelmäßig ab. Ein Schlag verschiebt eine Gitterschicht gegen die nächste. Schon nach einer Verschiebung um einen Ionenabstand stehen sich gleich geladene Ionen gegenüber (Na⁺ neben Na⁺, Cl⁻ neben Cl⁻). Sie stoßen sich ab, und der Kristall bricht entlang dieser Ebene auseinander — deshalb entstehen glatte Bruchflächen. Im Metall halten die frei beweglichen Elektronen die Atomrümpfe auch nach dem Verschieben zusammen.

Musterlösung: Festes Kochsalz besteht zwar aus Ionen, diese sitzen aber fest auf ihren Gitterplätzen und können nicht zu den Elektroden wandern — die Lampe bleibt dunkel. In der Schmelze ist das Gitter zerstört; Na⁺-Ionen wandern zum Minuspol, Cl⁻-Ionen zum Pluspol, es fließt Strom. Beim Lösen in Wasser wird das Gitter ebenfalls aufgelöst; die Ionen sind von Wassermolekülen umhüllt und frei beweglich, deshalb leitet auch die Lösung. Elektronen fließen dagegen nicht durch das Salz — die Ladungsträger sind die Ionen.

Musterlösung: 1. Flammenfärbung: Ein ausgeglühtes Magnesiastäbchen wird in etwas Salz getaucht und in die nicht leuchtende Brennerflamme gehalten. Kaliumchlorid färbt die Flamme fahl violett (durch ein Cobaltglas betrachtet deutlich violett-rot), Natriumbromid intensiv gelb. 2. Halogenid-Nachweis: Von beiden Salzen wird eine Lösung hergestellt, mit verdünnter Salpetersäure angesäuert und mit Silbernitrat-Lösung versetzt. Kaliumchlorid ergibt einen weißen Niederschlag von Silberchlorid, Natriumbromid einen gelblich-weißen Niederschlag von Silberbromid. Stimmen beide Ergebnisse überein, ist die Zuordnung sicher.

Musterlösung: Der erste Teil ist plausibel: Die intensiv gelbe Flamme ist typisch für Natrium-Ionen. Allerdings reichen schon kleinste Natrium-Spuren (Schweiß, Staub) für eine gelbe Farbe; das Magnesiastäbchen muss vorher ausgeglüht werden. Der zweite Teil ist nicht gerechtfertigt: Die schwache violette Kaliumflamme wird von der hellen Natriumflamme überstrahlt. Lea müsste die Flamme durch ein Cobaltglas betrachten, das das gelbe Licht zurückhält, oder mit dem Spektroskop nach den Kalium-Linien suchen. Erst dann kann sie über Kalium entscheiden.

Musterlösung: Tims Schluss ist nicht gesichert. Silberchlorid ist weiß, Silberbromid gelblich-weiß und Silberiodid deutlich gelb. Ein schwach gelblicher Niederschlag spricht eher für Bromid als für Iodid; die Farben sind aber ähnlich und sollten mit Referenzproben (NaCl-, KBr-, KI-Lösung) verglichen werden. Außerdem hat Tim nicht mit verdünnter Salpetersäure angesäuert: Dann können auch andere Ionen, z. B. Carbonat-Ionen, mit Silber-Ionen einen hellen Niederschlag bilden. Er sollte den Versuch angesäuert wiederholen und die Farbe neben den Referenzen beurteilen.

Musterlösung: Aluminium hat drei Valenzelektronen und bildet Al³⁺. Sauerstoff hat sechs Valenzelektronen, nimmt zwei auf und bildet O²⁻. Damit die Formeleinheit neutral ist, müssen gleich viele positive wie negative Ladungen vorliegen: Das kleinste gemeinsame Vielfache von 3 und 2 ist 6. Zwei Al³⁺ liefern +6, drei O²⁻ liefern −6. Die Formel ist Al₂O₃. „AlO“ hätte die Gesamtladung (+3) + (−2) = +1 und ist deshalb falsch; außerdem würden die Elektronen nicht aufgehen: 3 abgegebenen stünden nur 2 aufgenommene gegenüber.

Musterlösung: Die Aussage ist falsch. Bei der Reaktion von Natrium mit Chlor entsteht ein neuer Stoff mit ganz anderen Eigenschaften. Im Kochsalz liegen keine Natriumatome und keine Chlormoleküle vor, sondern Na⁺- und Cl⁻-Ionen. Sie haben jeweils Edelgaskonfiguration und sind deshalb reaktionsträge: Na⁺ reagiert nicht mit Wasser, Cl⁻ ist kein giftiges Gas. Kochsalz ist ein lebensnotwendiger Mineralstoff. Einschränkend gilt nur: Wie jeder Stoff ist es in sehr großen Mengen gesundheitsschädlich — das hat aber nichts mit den Eigenschaften der Elemente zu tun.