Metalle, Gitter und zwischenmolekulare Kräfte

Reines Wasser hat bei einem Druck von $1{,}0\,\mathrm{atm}$ eine Siedetemperatur von $100{,}0\,^\circ\mathrm{C}$. Beim Erhitzen von flüssigem Wasser bis zum Sieden erfolgt die Umwandlung zu Wasserdampf nach dem physikalischen Vorgang $\mathrm{H_2O}\,(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{H_2O}\,(\mathrm{g})$.

1. a) Begründen Sie, welche Art von Wechselwirkungen bzw. Bindungen beim Sieden von flüssigem Wasser überwunden wird.
2. b) Erklären Sie, warum dieser physikalische Vorgang die intramolekularen Elektronenpaarbindungen $\mathrm{O-H}$ nicht aufbricht und Wasser nicht in gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Betrachten Sie die homologe Reihe der zweiatomigen molekularen Halogene: Difluor ($\mathrm{F_2}$), Dichlor ($\mathrm{Cl_2}$), Dibrom ($\mathrm{Br_2}$) und Diiod ($\mathrm{I_2}$). Bei $25{,}0\,^\circ\mathrm{C}$ und $1{,}0\,\mathrm{atm}$ sind $\mathrm{F_2}$ und $\mathrm{Cl_2}$ Gase, $\mathrm{Br_2}$ ist flüssig und $\mathrm{I_2}$ ist ein Feststoff.

1. a) Geben Sie die Art der zwischenmolekularen Bindung an, die zwischen diesen unpolaren, aus gleichen Atomen bestehenden Molekülen vorherrscht.
2. b) Begründen Sie die beobachtete Änderung des Aggregatzustands und der Siedepunkte in der Gruppe der Halogene von oben nach unten.

Gegeben sind folgende reine molekulare Stoffe: Diiod ($\mathrm{I_2}$), Ethanol ($\mathrm{CH_3CH_2OH}$) und Glucose ($\mathrm{C_6H_{12}O_6}$, mit fünf Hydroxygruppen $-\mathrm{OH}$). Ihre Löslichkeit wird bei $20{,}0\,^\circ\mathrm{C}$ in zwei Lösungsmitteln geprüft: reinem Wasser ($\mathrm{H_2O}$) und Hexan ($\mathrm{C_6H_{14}}$).

1. a) Begründen Sie, warum Diiod in Wasser nur schlecht, in Hexan dagegen sehr gut löslich ist.
2. b) Erklären Sie, warum Ethanol mit Wasser vollständig mischbar ist und Glucose in Wasser sehr gut löslich ist, und benennen Sie die verantwortlichen zwischenmolekularen Wechselwirkungen.

Verglichen werden die Normalsiedetemperaturen bei $1{,}0\,\mathrm{atm}$ und die molaren Verdampfungsenthalpien von drei organischen Verbindungen ähnlicher molarer Masse ($M \approx 44 - 46\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$):

• Propan ($\mathrm{CH_3CH_2CH_3}$): $M = 44{,}1\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$; $\vartheta_\mathrm{s} = -42{,}1\,^\circ\mathrm{C}$; $\Delta H_\mathrm{V} = 19{,}0\,\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$.

• Dimethylether ($\mathrm{CH_3OCH_3}$): $M = 46{,}1\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$; $\vartheta_\mathrm{s} = -24{,}8\,^\circ\mathrm{C}$; $\Delta H_\mathrm{V} = 21{,}5\,\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$.

• Ethanol ($\mathrm{CH_3CH_2OH}$): $M = 46{,}1\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$; $\vartheta_\mathrm{s} = 78{,}3\,^\circ\mathrm{C}$; $\Delta H_\mathrm{V} = 38{,}6\,\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$.

1. a) Analysieren Sie ausführlich die zwischenmolekularen Kräfte in jeder der drei reinen Flüssigkeiten.
2. b) Begründen Sie den deutlichen Unterschied in den Siedepunkten und in den Werten von $\Delta H_\mathrm{V}$ zwischen den drei Verbindungen, obwohl ihre molaren Massen nahezu identisch sind.

Im Labor stehen zwei reine kristalline Feststoffe zur Verfügung, bezeichnet als Probe 1 (metallisches Kupfer, $\mathrm{Cu}$) und Probe 2 (Natriumchlorid, $\mathrm{NaCl}$). Die elektrische Leitfähigkeit beider wird im festen Zustand und nach dem Schmelzen gemessen.

1. a) Erklären Sie anhand des Elektronengasmodells, warum Kupfer im festen und im flüssigen Zustand den elektrischen Strom leitet.
2. b) Begründen Sie, warum $\mathrm{NaCl}$ im festen Zustand ein elektrischer Isolator ist, beim Schmelzen jedoch zu einem guten elektrischen Leiter wird.

Die Bändertheorie erklärt das elektrische Verhalten von Materialien anhand des Energieabstands zwischen Valenzband und Leitungsband. Das folgende Diagramm zeigt schematisch die Bandstrukturen dreier verschiedener Materialien A, B und C.

1. a) Ermitteln Sie begründet, welches der drei Materialien sich bei Raumtemperatur ($25{,}0\,^\circ\mathrm{C}$) wie ein metallischer Leiter, welches wie ein Eigenhalbleiter und welches wie ein elektrischer Isolator verhält.
2. b) Erklären Sie die Wirkung einer mäßigen Temperaturerhöhung auf die elektrische Leitfähigkeit von Material A im Vergleich zu Material B. Die Abbildung ist schematisch: Die Größen der Bänder und der Abstände sind nicht energetisch maßstabsgetreu gezeichnet.

Diamant und Graphit sind zwei allotrope Modifikationen des reinen Kohlenstoffs. Beide bilden riesige Atomgitter (Netzwerke). Bei Atmosphärendruck zeigen sie kein gewöhnliches Schmelzen: Bei sehr hohen Temperaturen sind die Umwandlung zwischen den Modifikationen und die Sublimation von Kohlenstoff zu berücksichtigen. Dennoch ist Diamant das härteste bekannte Mineral und ein elektrischer Isolator, während Graphit ein weiches, spaltbares Material und parallel zu seinen Schichten ein ausgezeichneter elektrischer Leiter ist.

1. a) Beschreiben Sie die Hybridisierung und die räumliche Anordnung der Kohlenstoffatome in Diamant und in Graphit.
2. b) Begründen Sie ausführlich die besondere elektrische Leitfähigkeit und die schmierende bzw. spaltbare Eigenschaft von Graphit anhand seiner Bindungsstruktur.

Im Labor werden vier Reinstoffe nach verschiedenen physikalischen Prüfungen charakterisiert. Die experimentellen Ergebnisse sind im Folgenden zusammengestellt:

• Stoff W: Schmelztemperatur $1710\,^\circ\mathrm{C}$; leitet den elektrischen Strom weder im festen noch im flüssigen Zustand; völlig unlöslich in Wasser und in unpolaren organischen Lösungsmitteln.

• Stoff X: Schmelztemperatur $1084\,^\circ\mathrm{C}$; ausgezeichneter elektrischer und thermischer Leiter, sowohl fest als auch geschmolzen; verformbar und dehnbar.

• Stoff Y: Schmelztemperatur $801\,^\circ\mathrm{C}$; leitet den elektrischen Strom im festen Zustand nicht, wohl aber geschmolzen oder in Wasser gelöst; spröder Feststoff.

• Stoff Z: Schmelztemperatur $-23\,^\circ\mathrm{C}$, Siedetemperatur $77\,^\circ\mathrm{C}$; leitet im reinen Zustand, fest oder flüssig, nicht nennenswert; löslich in Hexan und unlöslich in Wasser.

1. a) Ordnen Sie jeden Stoff (W, X, Y, Z) begründet einem der vier Feststofftypen zu: Ionenverbindung, Atomgitter (kovalentes Netzwerk), Metall oder molekularer Feststoff.
2. b) Nennen Sie für jeden der vier beschriebenen Typen einen passenden realen chemischen Stoff, der zu seinen qualitativen Eigenschaften passt; die genauen Schmelzwerte müssen Sie nicht auswendig kennen.

Das mechanische Verhalten und die elektrische Leitfähigkeit fester Stoffe hängen davon ab, ob ihre Bindungen gerichtet oder ungerichtet sind und ob Ladungsträger vorhanden sind.

1. a) Vergleichen Sie das mechanische Verhalten eines kristallinen Metalls (wie Eisen, $\mathrm{Fe}$) mit dem eines Ionenkristalls (wie Calciumfluorid, $\mathrm{CaF_2}$) bei Scherspannung oder Stoß und erklären Sie, warum das Metall verformbar, der Ionenfeststoff dagegen spröde und brüchig ist.
2. b) Analysieren Sie, warum Quarz ($\mathrm{SiO_2}$, Atomgitter) eine große Härte und eine sehr geringe Löslichkeit in Wasser und in üblichen organischen Lösungsmitteln zeigt, die nicht mit ihm reagieren, und vergleichen Sie dabei das Bändermodell eines Metalls mit dem isolierenden Charakter von Quarz.

Herausforderung des Themas. Als technischer Berater von Red Eléctrica de España (REE) sollen Sie die in Umspannwerken und Hochspannungsleitungen verwendeten Materialien bewerten. Erstellen Sie einen technischen Bericht, in dem Sie ihre Eignung anhand der chemischen Bindung begründen.

1. Datenerhebung: Rufen Sie die Website von REE (ree.es) auf und ermitteln Sie reale Materialien für Leiter (Kabel aus $Al$ oder $Cu$), feste keramische Isolatoren ($SiO_2$) und Gase zur elektrischen Isolation (wie $CO_2$ oder $SF_6$).

2. Molekülstruktur: Stellen Sie für das ausgewählte dielektrische Gas die Lewis-Formel dar, analysieren Sie mögliche Resonanzstrukturen und berechnen Sie die Formalladungen. Leiten Sie seine Molekülgeometrie (VSEPR), die Hybridisierung des Zentralatoms ab und begründen Sie, ob das Molekül polar oder unpolar ist.

3. Gitter und Ionenbindung: Nehmen Sie den Einsatz eines Salzes als isolierenden Zusatzstoff an (z. B. $NaCl$). Stellen Sie seinen Born-Haber-Kreisprozess auf, um seine Gitterenergie ($U$) abzuleiten. Vergleichen Sie anschließend die elektrische Leitfähigkeit und die Schmelzpunkte des leitenden Metalls, des Atomgitters von $SiO_2$ und des isolierenden Gases anhand ihrer Bindungen und zwischenmolekularen Kräfte.

4. Begründeter Vorschlag: Fassen Sie in einer Tabelle den Zusammenhang zwischen mikroskopischer Struktur und technischer Funktion jedes Materials zusammen und begründen Sie Ihre endgültige Auswahl.

Bewertet werden:

• Richtigkeit der Lewis-Formeln, der Resonanz, der Formalladungen, der Geometrie und der Hybridisierung.

• Sorgfältiger Ansatz des Born-Haber-Kreisprozesses und qualitative Begründung der Gitterenergie.

• Schlüssige Erklärung der makroskopischen Eigenschaften anhand von Bindung und zwischenmolekularen Kräften.

• Klarheit des Berichts und angemessene Einbindung der REE-Daten.