Aufgaben: Ionenbindung, Elektronenpaarbindung und Metallbindung

In Salz, in Wasser und in Kupfer sind die Atome auf drei verschiedene Arten miteinander verbunden.

1. a) Beschreiben Sie, was mit den Valenzelektronen bei der Ionenbindung, der Elektronenpaarbindung und der Metallbindung geschieht.
2. b) Verwenden Sie in Ihrer Antwort die Begriffe „Übertragung“, „gemeinsame Elektronenpaare“ und „Delokalisierung“.
3. c) Ordnen Sie jeden der drei Stoffe aus der Aufgabenstellung seiner Bindungsart zu.

Kochsalz, $\text{NaCl}$, besteht aus Ionen, die in einem Kristall angeordnet sind.

1. a) Erklären Sie, was mit den Valenzelektronen von Natrium und Chlor geschieht, wenn die Verbindung entsteht.
2. b) Welche Teilchen bilden das Salz und welche Kraft hält sie zusammen?
3. c) Zeichnen Sie in Ihr Heft einen kleinen Ausschnitt des Kristallgitters mit abwechselnden $\text{Na}^{+}$- und $\text{Cl}^{-}$-Ionen.

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

Ein Wassermolekül, $\text{H}_2\text{O}$, enthält ein Sauerstoffatom, das mit zwei Wasserstoffatomen verbunden ist.

1. a) Welche Bindungsart verbindet den Sauerstoff mit den Wasserstoffatomen?
2. b) Wie viele Bindungen gibt es im Molekül und wie viele Elektronen teilt der Sauerstoff insgesamt?
3. c) Wie viele Elektronen steuert jedes Wasserstoffatom zu seiner Bindung bei?

Ein Eisennagel ist ein Stück Metall, das ausschließlich aus $\text{Fe}$-Atomen besteht.

1. a) Erklären Sie, worin das „Elektronengas“ der Metallbindung besteht.
2. b) Was bedeutet es, dass die Elektronen delokalisiert sind?
3. c) Wie würden die Eisen-Kationen miteinander wechselwirken, wenn die gemeinsamen Elektronen verschwänden? Begründen Sie, warum man sagt, das Elektronengas sei der „Klebstoff“ des Metalls.

Ordnen Sie die folgenden Stoffe nach der in ihnen vorherrschenden Bindungsart ein und begründen Sie jede Antwort anhand der Elemente, die sich verbinden:

1. a) $\text{MgO}$, das Magnesiumoxid in Mitteln gegen Magensäure.
2. b) $\text{CO}_2$, das Gas in den Bläschen von Erfrischungsgetränken.
3. c) $\text{Cu}$, das Metall von Kabeln.
4. d) $\text{NH}_3$, das Ammoniak in Reinigungsmitteln.
5. e) $\text{KBr}$, ein in der Fotografie verwendetes Salz.
6. f) $\text{N}_2$, das Hauptgas der Luft.

Manche Stoffe bilden Kristallgitter und andere bilden Moleküle.

1. a) Erklären Sie den Unterschied zwischen beiden Strukturen.
2. b) Nennen Sie ein Beispiel für einen Stoff, der ein Kristallgitter bildet, und eines für einen molekularen Stoff.
3. c) In welchem der beiden Fälle ist es sinnvoll, von einem einzelnen „Molekül“ zu sprechen? Begründen Sie Ihre Antwort.

Diamant ist reiner Kohlenstoff. In ihm ist jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen verbunden und bildet eine durchgehende dreidimensionale Struktur.

1. a) Welche Bindungsart verbindet die Kohlenstoffatome miteinander?
2. b) Ist Diamant ein molekularer Stoff oder ein Kristallgitter?
3. c) Wie viele Bindungen bildet jedes Kohlenstoffatom?

Die Elektronegativität misst, wie stark ein Atom die Elektronen einer Bindung zu sich zieht; Metalle haben eine niedrige Elektronegativität und Nichtmetalle eine hohe.

1. a) Vervollständigen Sie die Faustregel: Metall + Nichtmetall → ...bindung; Nichtmetall + Nichtmetall → ...bindung; Metall + Metall → ...bindung.
2. b) Begründen Sie jeden Fall, indem Sie überlegen, wer stärker an den Elektronen „zieht“.

Magnesiumoxid, $\text{MgO}$, ist der Wirkstoff mancher Mittel gegen Magensäure. Gegeben: $Z(\text{Mg}) = 12$, $Z(\text{O}) = 8$.

1. a) Schreiben Sie die Elektronenkonfigurationen der Magnesium- und der Sauerstoffatome sowie die der Ionen, die sie bilden, auf.
2. b) Erklären Sie anhand der Ladungen dieser Ionen, warum die Formel der Verbindung $\text{MgO}$ lautet und nicht $\text{Mg}_2\text{O}$ oder $\text{MgO}_2$.
3. c) Mit welchem Edelgas ist jedes Ion isoelektronisch?

Schreiben Sie die Formel der Ionenverbindung auf, die die folgenden Ionenpaare bilden, und beachten Sie dabei, dass das Ganze elektrisch neutral sein muss:

1. a) $\text{Ca}^{2+}$ und $\text{Cl}^{-}$, das Streusalz für Straßen.
2. b) $\text{Al}^{3+}$ und $\text{O}^{2-}$, die Oxidschicht, die Aluminium schützt.
3. c) $\text{Na}^{+}$ und $\text{S}^{2-}$.

Geben Sie in jedem Fall an, wie viele Ionen jeder Art benötigt werden, und überprüfen Sie, dass die Gesamtladung null ist.

Kohlenstoffdioxid, $\text{CO}_2$, atmen wir beim Ausatmen aus und Pflanzen nehmen es auf. Gegeben: $Z(\text{C}) = 6$, $Z(\text{O}) = 8$.

1. a) Berechnen Sie die Gesamtzahl der Valenzelektronen des Moleküls.
2. b) Zeichnen Sie in Ihr Heft die Lewis-Formel des Moleküls, wenn Sie wissen, dass der Kohlenstoff mit jedem Sauerstoff eine Doppelbindung bildet.
3. c) Wie viele Elektronenpaare teilt der Kohlenstoff? Überprüfen Sie, dass er die Oktettregel erfüllt.

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

Ammoniak, $\text{NH}_3$, verleiht vielen Reinigungsmitteln ihren charakteristischen Geruch. Gegeben: $Z(\text{N}) = 7$, $Z(\text{H}) = 1$.

1. a) Berechnen Sie die Gesamtzahl der Valenzelektronen des Moleküls.
2. b) Zeichnen Sie in Ihr Heft seine Lewis-Formel.
3. c) Wie viele bindende und wie viele freie Elektronenpaare hat der Stickstoff?

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

Niemand hat je „ein Salzmolekül“ isoliert: $\text{NaCl}$ bildet ein kubisches Kristallgitter, in dem jedes Ion von sechs Ionen entgegengesetzter Ladung umgeben ist.

1. a) Erklären Sie, warum man bei Ionenverbindungen von „Formeleinheit“ und nicht von Molekül spricht.
2. b) Was stellt dann die Formel $\text{NaCl}$ dar?
3. c) Zeichnen Sie in Ihr Heft eine Schicht des Gitters mit abwechselnden $\text{Na}^{+}$- und $\text{Cl}^{-}$-Ionen.

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

Ordnen Sie die Bindung jedes Stoffes ein und geben Sie begründet an, ob er Moleküle oder ein Kristallgitter bildet:

1. a) Die Bronze der Glocken, eine Legierung aus Kupfer und Zinn.
2. b) Der Sand am Strand, $\text{SiO}_2$.
3. c) Das Natriumfluorid in Zahnpasta, $\text{NaF}$.
4. d) Der Stickstoff der Luft, $\text{N}_2$.
5. e) Das Calciumchlorid im Streusalz, $\text{CaCl}_2$.

Gegeben sind diese Elektronegativitätswerte: $\text{Na} = 0,9$, $\text{Cl} = 3,0$, $\text{H} = 2,1$, $\text{O} = 3,5$, $\text{C} = 2,5$ und $\text{Mg} = 1,2$; außerdem die Faustregel, dass eine Elektronegativitätsdifferenz $\Delta\text{EN} > 1,7$ einer überwiegend ionischen Bindung entspricht. Die Elektronegativitätswerte sind in der Abbildung auf einer Skala dargestellt.

1. a) Berechnen Sie $\Delta\text{EN}$ für die Bindungen von $\text{NaCl}$, $\text{H}_2\text{O}$ ($\text{O}-\text{H}$-Bindung), $\text{CO}_2$ ($\text{C}-\text{O}$-Bindung) und $\text{MgO}$.
2. b) Ordnen Sie jede Bindung als überwiegend ionisch oder kovalent ein.
3. c) Erklären Sie, warum die $\text{O}-\text{H}$-Bindung, obwohl sie kovalent ist, „polar“ genannt wird.

Der Stickstoff in Kartoffelchipstüten schützt das Lebensmittel, weil er ein sehr reaktionsträges Gas ist. Die Moleküle $\text{H}_2$, $\text{O}_2$ und $\text{N}_2$ haben jeweils eine Einfach-, eine Doppel- und eine Dreifachbindung.

1. a) Zeichnen Sie in Ihr Heft die Lewis-Formel der drei Moleküle.
2. b) Wie viele Elektronen werden in jedem geteilt?
3. c) Begründen Sie, warum die Dreifachbindung des $\text{N}_2$ es zu einem so inerten Gas macht, dass es als Schutzatmosphäre verwendet wird.

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

Wenn ein Magnesiumband an der Luft verbrennt, entsteht nicht nur $\text{MgO}$: Es bildet sich auch Magnesiumnitrid, $\text{Mg}_3\text{N}_2$. Gegeben: $Z(\text{Mg}) = 12$, $Z(\text{N}) = 7$.

1. a) Schreiben Sie die Elektronenkonfigurationen der beiden Atome und der Ionen $\text{Mg}^{2+}$ und $\text{N}^{3-}$ auf.
2. b) Begründen Sie die Formel $\text{Mg}_3\text{N}_2$, indem Sie überprüfen, dass die Gesamtladung der Verbindung null ist.
3. c) Mit welchem Edelgas ist jedes Ion isoelektronisch? Erörtern Sie, was an dieser Situation besonders ist.

Ein Labor untersucht zwei unbekannte Stoffe. Stoff A schmilzt bei $770\ \celsius$, leitet im festen Zustand den Strom nicht, wohl aber geschmolzen oder in Wasser gelöst, und ist sehr gut löslich. Stoff B siedet bei $-161\ \celsius$, leitet in keinem Zustand und ist in Wasser unlöslich.

1. a) Leiten Sie begründet her, welche Bindungsart in jedem Stoff vorherrscht.
2. b) Nennen Sie einen bekannten Stoff, der jeweils infrage kommen könnte.
3. c) Erklären Sie anhand der Struktur jedes Stoffes die Angabe zur elektrischen Leitfähigkeit.

Diamant und Kochsalz sind beide Kristallgitter mit sehr hohen Schmelzpunkten und verhalten sich dennoch sehr unterschiedlich.

1. a) Erklären Sie, welche Teilchen die Gitterpunkte jedes Gitters besetzen und welche Kräfte sie zusammenhalten.
2. b) Geschmolzenes Salz leitet den elektrischen Strom, fester Diamant jedoch nicht: Erklären Sie den Unterschied anhand der Elektronen in jeder Struktur.
3. c) Begründen Sie, warum beide Stoffe bei so hohen Temperaturen schmelzen, obwohl ihre Bindungen unterschiedlicher Natur sind.

Die negative Elektrode der Lithium-Akkus in Handys besteht aus Graphit. Im Graphit ist jeder Kohlenstoff nur mit drei weiteren verbunden und bildet Schichten aus Sechsecken; sein viertes Valenzelektron ist über die gesamte Schicht delokalisiert.

1. a) Zeichnen Sie in Ihr Heft die Struktur einer Graphitschicht.
2. b) Erklären Sie, warum Graphit den elektrischen Strom leitet, obwohl die Bindung zwischen seinen Atomen kovalent ist.
3. c) Zeigen Sie die Analogie zwischen den delokalisierten Elektronen des Graphits und dem Elektronengas eines Metalls auf.

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

Im Wasser muss man zwei Arten von Kräften unterscheiden: die sehr starken kovalenten Bindungen $\text{O}-\text{H}$ innerhalb jedes Moleküls und die viel schwächeren Kräfte zwischen den Molekülen (Wasserstoffbrückenbindungen). Betrachten Sie das Schema:

1. a) Erklären Sie den Unterschied zwischen intramolekularen und intermolekularen Kräften.
2. b) Welche Kräfte müssen überwunden werden, um Wasser zum Sieden zu bringen? Und um es in $\text{H}_2$ und $\text{O}_2$ zu zerlegen?
3. c) Erklären Sie damit, warum Wasser schon bei $100\ \celsius$ siedet, seine chemische Zerlegung aber sehr hohe Temperaturen oder eine Elektrolyse erfordert.

Das Molekül $\text{CO}_2$ hat $16$ Valenzelektronen und zwei Doppelbindungen.

1. a) Überprüfen Sie durch Abzählen der Elektronen, dass bei dieser Struktur das Kohlenstoffatom und die beiden Sauerstoffatome die Oktettregel erfüllen.
2. b) Wie viele bindende und wie viele nichtbindende Elektronenpaare gibt es im Molekül?
3. c) Wenden Sie dieselbe Zählung auf das Molekül $\text{N}_2$ an ($10$ Valenzelektronen, Dreifachbindung) und zeichnen Sie beide Lewis-Formeln in Ihr Heft.

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

Quecksilber ist das einzige Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist, und leitet wie Kupfer oder Aluminium den elektrischen Strom.

1. a) Beschreiben Sie das Modell der Metallbindung: Welche Teilchen gibt es und wie sind sie angeordnet?
2. b) Erklären Sie mit diesem Modell, warum ein Metall den elektrischen Strom sowohl im festen als auch im flüssigen Zustand leitet.
3. c) Auch Bronze (Kupfer und Zinn) und Edelstahl (Eisen, Chrom und Nickel) leiten den Strom: Erklären Sie, warum das Mischen mehrerer Metalle die Metallbindung nicht „aufbricht“.

Aufsatz: „Drei Arten der Bindung“.

1. a) Vergleichen Sie die Ionenbindung, die Elektronenpaarbindung und die Metallbindung, indem Sie für jede drei Fragen beantworten: Was geschieht mit den Valenzelektronen? Welche Struktur entsteht, Moleküle oder Gitter? Welches Beispiel veranschaulicht sie am besten, $\text{NaCl}$, $\text{CO}_2$ oder $\text{Fe}$?
2. b) Erklären Sie abschließend, wie man die Bindungsart anhand der Stellung der Elemente im Periodensystem vorhersagen kann.