Aufgaben: Eigenschaften von Stoffen in Abhängigkeit von der Bindung

Kochsalz schmilzt bei $801\ \celsius$: Man muss es sehr stark erhitzen, um es zu schmelzen. Ein Ausschnitt seines Kristallgitters ist in der Abbildung dargestellt.

Erklären Sie anhand der Ionenbindung und der Kristallgitterstruktur, warum der Schmelzpunkt von $\text{NaCl}$ so hoch ist.

Wasser siedet bei $100\ \celsius$, während Salz bei $801\ \celsius$ schmilzt.

1. a) Geben Sie an, welche Struktur jeder Stoff hat: Moleküle oder Kristallgitter?
2. b) Erklären Sie anhand dieses Strukturunterschieds, warum Wasser seinen Aggregatzustand bei einer viel niedrigeren Temperatur ändert als Salz.

Die Leitungen in Häusern bestehen aus Kupfer, einem Feststoff, der den Strom leitet. Das Elektronengasmodell ist in der Abbildung dargestellt.

Erklären Sie mit dem Elektronengasmodell, warum Kupfer im Gegensatz zu einem Salzkristall im festen Zustand den Strom leitet.

Bohrer für Gestein haben Spitzen aus Diamant, dem härtesten bekannten Naturstoff. Ein Ausschnitt seines Atomgitters ist in der Abbildung dargestellt.

Erklären Sie anhand seines dreidimensionalen Atomgitters, warum Diamant so hart ist.

Ein Salzkristall leitet den Strom nicht, aber wenn man ihn schmilzt oder in Wasser löst, leitet er ihn.

1. a) Erklären Sie, was in jeder der drei Situationen mit den Ionen geschieht.
2. b) Welche Bedingung müssen geladene Teilchen erfüllen, um den elektrischen Strom transportieren zu können?

In der Küche verschwindet Salz beim Umrühren in Wasser, aber Öl bildet Tropfen und mischt sich nicht.

1. a) Erklären Sie anhand der Bindungsart und der Wechselwirkungen mit dem Wasser, warum sich Kochsalz (NaCl) in Wasser löst.

1. b) Begründen Sie mit der Regel „Gleiches löst sich in Gleichem“, warum sich Öl nicht in Wasser löst.

Die „Mine“ eines Bleistifts besteht aus Graphit: Beim Schreiben gleiten die Kohlenstoffschichten übereinander und bleiben auf dem Papier haften. Die Schichtstruktur ist in der Abbildung dargestellt.

1. a) Erklären Sie anhand seiner Schichtstruktur, warum Graphit weich ist und Spuren hinterlässt.
2. b) Welche Art von Kräften hält die Schichten zusammen? Vergleichen Sie sie mit den Bindungen innerhalb jeder Schicht.

Das Blattgold, das in der Dekoration verwendet wird, besteht aus hauchdünnen Goldplättchen, die durch Hämmern des Metalls entstehen. Erklären Sie mit dem Modell der Metallbindung, warum sich Metalle beim Schlagen verformen, statt zu zerbrechen, wie es ein Salzkristall täte.

Sie bauen einen Stromkreis mit einer Batterie, einer Glühlampe und zwei Elektroden auf, um die Leitfähigkeit von Salz zu prüfen. Der Aufbau ist in der Abbildung dargestellt.

1. a) Sagen Sie voraus, was Sie beobachten, wenn Sie festes Kochsalz zwischen die Elektroden legen, und erklären Sie das Ergebnis.
2. b) Wiederholen Sie die Vorhersage, wobei Sie das Salz zuvor in Wasser lösen.
3. c) Welche Rolle spielt die Beweglichkeit der Ionen für den Unterschied der Ergebnisse?

$\text{NaCl}$ schmilzt bei $801\ \celsius$ und $\text{MgO}$ bei $2852\ \celsius$, und beide sind Ionenkristalle mit derselben Struktur. Die Schmelzpunkte werden in der Abbildung verglichen.

1. a) Geben Sie die Ladungen der Ionen jeder Verbindung an.
2. b) Erklären Sie durch Vergleich dieser Ladungen, warum die elektrostatische Anziehung in $\text{MgO}$ viel größer ist.
3. c) Bringen Sie diese Anziehung mit dem sehr hohen Schmelzpunkt in Zusammenhang: $\text{MgO}$ wird tatsächlich zur Auskleidung des Inneren von Industrieöfen verwendet.

Bei $20\ \celsius$ lassen sich bis zu $36\ \text{g}$ $\text{NaCl}$ pro $100\ \text{g}$ Wasser lösen, aber nur $0,0002\ \text{g}$ $\text{AgCl}$.

1. a) Berechnen Sie, wie viele Gramm Kochsalz sich höchstens in $250\ \text{g}$ Wasser bei $20\ \celsius$ lösen lassen.
2. b) Erklären Sie mithilfe einer Zeichnung in Ihrem Heft, wie die Wassermoleküle beim Lösen des Salzes die Ionen umgeben und voneinander trennen (Hydratation der Ionen).
3. c) Folgern Sie, warum die Aussage „Ionische Stoffe lösen sich in Wasser“ nur eine Näherung ist.

Hochspannungsleitungen bestehen aus Aluminium und Hausleitungen aus Kupfer; ihre Dichten betragen $2,70\ \text{g/cm}^3$ bzw. $8,96\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Erklären Sie, warum beide Metalle den elektrischen Strom leiten.
2. b) Begründen Sie anhand der Dichten, welchen Vorteil es hat, kilometerlange Aluminiumkabel an Masten aufzuhängen.
3. c) Kupfer leitet bei gleichem Querschnitt besser als Aluminium: Begründen Sie, was in einer Wand, wo das Gewicht keine Rolle spielt, vorteilhafter ist.

Diamant und Graphit bestehen aus reinem Kohlenstoff, aber ihre Eigenschaften sind fast gegensätzlich: Diamant ist extrem hart und leitet den Strom nicht; Graphit ist weich und leitet. Die beiden Strukturen sind in der Abbildung gegenübergestellt.

1. a) Erklären Sie den Unterschied in der Härte anhand der Struktur beider Stoffe.
2. b) Erklären Sie den Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit.
3. c) Begründen Sie, warum Graphit Papier beschreibt, Diamant dagegen Glas ritzt.

Der Sand am Strand ist Siliciumdioxid, $\text{SiO}_2$: hart, nicht leitend, und er schmilzt bei $1710\ \celsius$.

1. a) Leiten Sie aus diesen Eigenschaften ab, welche Bindungsart und welche Struktur Siliciumdioxid hat.
2. b) $\text{CO}_2$ ist trotz derselben Art von Elektronenpaarbindung bei Raumtemperatur ein Gas: Erklären Sie, wie das möglich ist.
3. c) Begründen Sie, warum Sand als Rohstoff zur Glasherstellung dient und $\text{CO}_2$ nicht dienen könnte.

Ein Salzkristall zerbricht sauber, wenn man ihn mit einem Hammer schlägt, während ein Kupferblech nur eine Delle bekommt.

1. a) Zeichnen Sie in Ihr Heft zwei Ionenschichten und erklären Sie, was geschieht, wenn eine Schicht des Ionengitters über die andere gleitet: Welche Ladungsvorzeichen stehen sich dann gegenüber?
2. b) Stellen Sie dem gegenüber, was im Metall geschieht, wenn seine Kationenschichten gleiten.
3. c) Folgern Sie, warum man Salze „spröde“ und Metalle „verformbar“ nennt.

Sie können es auf Papier bearbeiten und ein Foto Ihrer Antwort einsenden.

Destilliertes Wasser leitet den Strom kaum, Leitungswasser leitet ein wenig und Meerwasser sehr gut.

1. a) Erklären Sie, welche Teilchen im Leitungswasser den Strom transportieren und woher sie stammen (gelöste $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ …).
2. b) Warum leitet destilliertes Wasser fast nicht, obwohl das Wassermolekül Elektronen besitzt?
3. c) Ordnen Sie die drei Wasserarten nach ihrer Ionenkonzentration und setzen Sie diese mit ihrer Leitfähigkeit in Beziehung.

Drei Stoffe weisen diese Eigenschaften auf. X: schmilzt bei $1538\ \celsius$, leitet im festen und im flüssigen Zustand und ist verformbar. Y: schmilzt bei $801\ \celsius$, leitet nur geschmolzen oder gelöst und ist spröde. Z: sublimiert bei $-78\ \celsius$, leitet in keinem Fall und bildet weiche Kristalle.

1. a) Leiten Sie mit Begründung ab, welche Bindungsart in jedem Stoff vorherrscht.
2. b) Nennen Sie einen realen Stoff, der jeweils zutreffen könnte.
3. c) Geben Sie für jede Eigenschaft der Liste an, welches Merkmal der Struktur des Stoffes sie erklärt.

In einem Labor stehen drei unbeschriftete Gefäße mit weißen Pulvern: Kochsalz ($\text{NaCl}$), Zucker (Saccharose, ein molekularer Stoff) und Sand ($\text{SiO}_2$).

1. a) Entwerfen Sie ein Verfahren mit drei Tests – Löslichkeit in Wasser, Leitfähigkeit der Lösung und Verhalten beim starken Erhitzen –, um den Inhalt jedes Gefäßes zu identifizieren.
2. b) Sagen Sie das Ergebnis jedes Stoffes bei jedem Test voraus.
3. c) Erklären Sie jedes Ergebnis anhand der Bindung und der Struktur des Stoffes.

Betrachten Sie diese Stoffe und ihre Schmelzpunkte: $\text{CH}_4$ ($-182\ \celsius$), $\text{H}_2\text{O}$ ($0\ \celsius$), $\text{NaCl}$ ($801\ \celsius$), $\text{CaO}$ ($2572\ \celsius$) und $\text{MgO}$ ($2852\ \celsius$). Die Schmelzpunkte sind in der Abbildung dargestellt.

1. a) Ordnen Sie sie nach aufsteigendem Schmelzpunkt.
2. b) Erklären Sie, warum Methan und Wasser, molekulare Stoffe, im Vergleich zu den Ionengittern so niedrig schmelzen.
3. c) Vergleichen Sie $\text{NaCl}$ mit $\text{MgO}$ und $\text{CaO}$: Welche Rolle spielen die Ladungen $1+/1-$ gegenüber $2+/2-$?
4. d) Sagen Sie ohne Kenntnis des Messwerts voraus, ob der Schmelzpunkt von $\text{KCl}$ (Ionen $\text{K}^{+}$ und $\text{Cl}^{-}$) näher an dem von $\text{NaCl}$ oder an dem von $\text{MgO}$ liegt, und begründen Sie Ihre Antwort.

Sie lösen $1\ \text{mol}$ $\text{NaCl}$ in einem Liter Wasser und $1\ \text{mol}$ $\text{CaCl}_2$ in einem anderen Liter. Gegeben: $N_{\text{A}} = 6,022\cdot10^{23}\ \text{mol}^{-1}$.

1. a) Berechnen Sie, wie viel Mol Ionen insgesamt in jeder Lösung vorhanden sind.
2. b) Berechnen Sie, wie viele einzelne Ionen jede Lösung enthält; geben Sie das Ergebnis in wissenschaftlicher Schreibweise mit zwei Nachkommastellen in der Mantisse an.
3. c) Begründen Sie, welche der beiden Lösungen den elektrischen Strom besser leitet.

Bohrmeißel für Erdölbohrungen tragen Einsätze aus synthetischem Diamant, der hergestellt wird, indem man Graphit enormen Drücken und Temperaturen aussetzt.

1. a) Erklären Sie anhand seiner Struktur, warum Diamant das ideale Material zum Schneiden von Gestein ist.
2. b) Begründen Sie, warum Graphit, obwohl es dasselbe Element ist, für diese Spitze nicht geeignet wäre.
3. c) Diamant leitet den Strom nicht und schmilzt oberhalb von $3500\ \celsius$: Erklären Sie beide Eigenschaften, indem Sie betrachten, wo sich seine Elektronen befinden.

Die negative Elektrode der Lithium-Ionen-Akkus von Handys besteht aus Graphit: Beim Laden des Telefons lagern sich die $\text{Li}^{+}$-Ionen zwischen seinen Schichten ein, und die Elektrode muss außerdem den Strom leiten. Die Einlagerung der Ionen zwischen den Schichten ist in der Abbildung dargestellt.

1. a) Erklären Sie anhand seiner Schichtstruktur, warum Graphit zwischen den Schichten Ionen einlagern kann.
2. b) Erklären Sie, warum Graphit im Gegensatz zu anderen Stoffen mit Atombindung die Bedingung erfüllt, den Strom zu leiten.
3. c) Begründen Sie, warum Diamant nicht als Elektrode einer Batterie verwendet werden könnte.

Gold ist so dehnbar, dass sich aus $1\ \text{g}$ ein Faden von etwa $2\ \text{km}$ Länge herstellen lässt.

1. a) Erklären Sie mit dem Elektronengasmodell diese extreme Verformbarkeit und Dehnbarkeit.
2. b) Schmuck besteht aus Gold mit $18$ Karat, einer Legierung mit $25\ \%$ Kupfer und Silber, weil reines Gold zu weich ist: Begründen Sie, warum Atome unterschiedlicher Größe im Gitter das Gleiten der Schichten erschweren und die Legierung härten, ohne ihr den Glanz und die für Metalle typische Leitfähigkeit zu nehmen.
3. c) Stellen Sie dieses Verhalten dem eines Ionenkristalls bei Verformung gegenüber.

Aufsatz: „Die Bindung erklärt die stoffliche Welt“.

1. a) Wählen Sie Salz, Wasser, Kupfer und Diamant und erklären Sie für jeden Stoff Schmelzpunkt, elektrische Leitfähigkeit und Härte anhand der Bindungsart und der Struktur, die er bildet.
2. b) Formulieren Sie abschließend mit eigenen Worten eine allgemeine Regel, die die Struktur eines Stoffes (Moleküle oder Kristallgitter) mit seinen Eigenschaften verbindet.

Herausforderung des Themas. Wie bestimmt die mikroskopische Struktur den Gebrauch von Materialien im Haushalt? Entwerfen Sie eine vergleichende Untersuchung von drei Stoffen aus Ihrem Zuhause: Kochsalz ($NaCl$), Ethanol ($CH_3-CH_2-OH$) und Alufolie ($Al$).

1. Theoretische Einordnung: Begründen Sie die Elektronenstabilität ihrer Atome und Ionen anhand der Oktettregel, bestimmen Sie die in jedem Stoff vorliegende Bindungsart und beschreiben Sie die Eigenschaften der funktionellen Gruppe des Ethanols.

2. Datenerhebung zu Hause: Messen Sie mit einem Küchenthermometer ($\pm 0,5\ ^\circ\text{C}$) den Temperaturverlauf beim Verdunsten einer mit Wasser getränkten Serviette im Vergleich zu einer mit Ethanol getränkten. Notieren Sie die Temperatur alle $30\text{ s}$ über $3\text{ min}$ ($t \pm 1\text{ s}$) und schlagen Sie die offizielle Verdampfungsenthalpie beider Stoffe in der Datenbank NIST Chemistry WebBook nach. Vorsicht: Verwenden Sie nur wenig Ethanol (entzündlich), an einem gut belüfteten Ort und fern von Flammen, eingeschalteten Herdplatten oder Wärmequellen.

3. Datenauswertung: Erstellen Sie eine Tabelle mit den Werten und Unsicherheiten und zeichnen Sie das Diagramm $T = f(t)$. Berechnen Sie die mittlere Abkühlrate ($\Delta T / \Delta t$) und setzen Sie die Flüchtigkeit mit den zwischenmolekularen Bindungen in Beziehung.

4. Endprodukt: Verfassen Sie einen begründeten Bericht (höchstens eine Seite), in dem Sie Flüchtigkeit, Leitfähigkeit und Schmelzpunkte der drei Materialien anhand ihrer Bindung (Ionenbindung, Elektronenpaarbindung in Molekülen und Metallbindung) vergleichen.

Bewertet werden:

• Genauigkeit bei der Erklärung der Elektronenstabilität, der Bindungsarten und der funktionellen Gruppe.

• Präzision bei den experimentellen Messungen, Angabe der Unsicherheiten und Qualität der Diagramme.

• Schlüssigkeit bei der Begründung der makroskopischen Eigenschaften anhand der chemischen Bindung.