Lewis-Formeln, Mesomerie und Formalladung

Betrachten Sie die neutralen Moleküle Wasser ($\mathrm{H_2O}$) und Ammoniak ($\mathrm{NH_3}$). Gegeben: Ordnungszahlen $Z(\mathrm{H}) = 1$, $Z(\mathrm{N}) = 7$, $Z(\mathrm{O}) = 8$.

1. a) Bestimmen Sie die Gesamtzahl der Valenzelektronen in jedem Molekül und zeichnen Sie die zugehörigen Lewis-Formeln.
2. b) Geben Sie begründet an, wie viele bindende und wie viele nichtbindende (freie) Elektronenpaare das Zentralatom in jedem der Moleküle besitzt, und begründen Sie, ob die Oktett- bzw. die Duettregel erfüllt ist.

Das Kohlenstoffdioxid-Molekül ($\mathrm{CO_2}$) spielt eine wesentliche Rolle für das Klimagleichgewicht und die Zellatmung. Gegeben: Ordnungszahlen $Z(\mathrm{C}) = 6$, $Z(\mathrm{O}) = 8$.

1. a) Schreiben Sie die Elektronenkonfigurationen der Valenzschale für Kohlenstoff und Sauerstoff und leiten Sie die Gesamtzahl der Elektronen ab, die in der Lewis-Formel von $\mathrm{CO_2}$ verteilt werden müssen.
2. b) Zeichnen Sie die Lewis-Formel von $\mathrm{CO_2}$ mit Kohlenstoff als Zentralatom, geben Sie die Bindungsordnung der Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen an und prüfen Sie, ob alle Atome die Oktettregel erfüllen.

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In wässriger Lösung setzen lösliche Carbonate das mehratomige Anion $\mathrm{CO_3^{2-}}$ frei. Gegeben: Ordnungszahlen $Z(\mathrm{C}) = 6$, $Z(\mathrm{O}) = 8$. Das folgende Diagramm zeigt das grundlegende Atomgerüst dieses Teilchens:

1. a) Vervollständigen Sie auf Papier die Lewis-Formel für das Ion $\mathrm{CO_3^{2-}}$, indem Sie die insgesamt $24$ Valenzelektronen verteilen, und zeichnen Sie die drei gleichwertigen mesomeren Grenzstrukturen.
2. b) Berechnen Sie die Formalladung jedes Atoms in einer der mesomeren Grenzstrukturen und erklären Sie kurz, warum Mesomerie kein tatsächliches physikalisches Hin- und Herschwingen zwischen Einfach- und Doppelbindungen ist.

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Das Ammonium-Kation ($\mathrm{NH_4^+}$) entsteht, wenn neutrales Ammoniak mit einem Wasserstoff-Ion ($\mathrm{H^+}$) reagiert. Gegeben: Ordnungszahlen $Z(\mathrm{H}) = 1$, $Z(\mathrm{N}) = 7$.

1. a) Zeichnen Sie die Lewis-Formel des Kations $\mathrm{NH_4^+}$, geben Sie die Bindungsart an, durch die das zusätzliche Proton aufgenommen wird, und begründen Sie, ob die vier Bindungen $\mathrm{N\text{--}H}$ im entstandenen Kation nicht unterscheidbar sind.
2. b) Berechnen Sie die Formalladung des Stickstoffatoms und jedes Wasserstoffatoms im Ion $\mathrm{NH_4^+}$ und vergleichen Sie sie mit der Formalladung des Stickstoffs im Molekül $\mathrm{NH_3}$.

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Das Cyanat-Anion ($\mathrm{OCN^-}$) ist ein lineares Teilchen, dessen Atomgerüst den Kohlenstoff als Zentralatom hat: $\mathrm{[O\text{--}C\text{--}N]^-}$. Gegeben: Ordnungszahlen $Z(\mathrm{C}) = 6$, $Z(\mathrm{N}) = 7$, $Z(\mathrm{O}) = 8$; Elektronegativitäten nach Pauling: $\chi(\mathrm{C}) = 2,55$, $\chi(\mathrm{N}) = 3,04$, $\chi(\mathrm{O}) = 3,44$.

1. a) Zeichnen Sie drei nicht gleichwertige mesomere Lewis-Formeln für das Ion $\mathrm{OCN^-}$, in denen alle Atome das Oktett erreichen.
2. b) Berechnen Sie die Formalladungen jedes Atoms in den drei Strukturen und begründen Sie, welche den größten Beitrag zum mesomeren Hybrid liefert und welche die ungünstigste ist.

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Das Nitrit-Anion ($\mathrm{NO_2^-}$) ist an biogeochemischen Prozessen im Boden beteiligt. Gegeben: Ordnungszahlen $Z(\mathrm{N}) = 7$, $Z(\mathrm{O}) = 8$. Experimentelle Bindungslängen: typische $\mathrm{N\text{--}O}$-Einfachbindung: $140\,\text{pm}$; typische $\mathrm{N=O}$-Doppelbindung: $120\,\text{pm}$. Die Röntgenstrukturanalyse zeigt, dass im Nitrit-Ion die beiden Stickstoff-Sauerstoff-Bindungen identisch sind und $124\,\text{pm}$ messen.

1. a) Zeichnen Sie die zwei mesomeren Lewis-Formeln des Ions $\mathrm{NO_2^-}$ und geben Sie freie Elektronenpaare und Formalladungen jedes Atoms an.
2. b) Leiten Sie die theoretische mittlere Bindungsordnung im mesomeren Hybrid her, setzen Sie sie in Beziehung zur beobachteten experimentellen Länge und widerlegen Sie streng die falsche Vorstellung, das Teilchen schwinge periodisch zwischen einer Einfach- und einer Doppelbindung. Nehmen Sie keinen exakt linearen Zusammenhang zwischen Bindungsordnung und Bindungslänge an.

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Ozon ($\mathrm{O_3}$) zeigt besondere physikalisch-chemische Eigenschaften. Gegeben: Ordnungszahl $Z(\mathrm{O}) = 8$. Experimentelle $\mathrm{O\text{--}O}$-Bindungslängen: in Wasserstoffperoxid ($\mathrm{H_2O_2}$) beträgt sie $148\,\text{pm}$; im molekularen Disauerstoff ($\mathrm{O_2}$) beträgt sie $121\,\text{pm}$; im Ozon sind beide $\mathrm{O\text{--}O}$-Bindungen gleichwertig mit einer Länge von $128\,\text{pm}$, einem Winkel von $117^\circ$ und einem permanenten Dipolmoment von $\mu = 0,53\,\text{D}$.

1. a) Schreiben Sie die beiden mesomeren Lewis-Formeln von $\mathrm{O_3}$ und leiten Sie die Formalladungen für das zentrale Sauerstoffatom und die beiden endständigen Atome her.
2. b) Berechnen Sie die mittlere Bindungsordnung, bestätigen Sie ihre Übereinstimmung mit den angegebenen Atomabständen und erklären Sie, warum ein homonukleares Molekül wie Ozon ein von null verschiedenes Gesamtdipolmoment besitzt. Nehmen Sie keinen exakt linearen Zusammenhang zwischen Bindungsordnung und Bindungslänge an.

Bortrifluorid ($\mathrm{BF_3}$) ist ein gasförmiges Reagenz, das häufig als Katalysator in der organischen Synthese eingesetzt wird. Gegeben: Ordnungszahlen $Z(\mathrm{B}) = 5$, $Z(\mathrm{F}) = 9$.

1. a) Zeichnen Sie die Lewis-Formel von $\mathrm{BF_3}$, in der die drei Fluoratome Einfachbindungen zum zentralen Boratom bilden und ihre jeweiligen Oktetts vervollständigen.
2. b) Begründen Sie, warum das zentrale Boratom eine Ausnahme von der Oktettregel darstellt (Elektronenmangel), und geben Sie die Anzahl der bindenden und nichtbindenden Elektronenpaare dieses Atoms an.

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Der ausgeprägte Elektronenmangel von Bortrifluorid verleiht ihm eine hohe Affinität zu Lewis-Basen. Bei der Reaktion von $\mathrm{BF_3}$ mit gasförmigem Ammoniak ($\mathrm{NH_3}$) entsteht das feste Additionsprodukt $\mathrm{F_3B\text{--}NH_3}$. Gegeben: Ordnungszahlen $Z(\mathrm{H}) = 1$, $Z(\mathrm{B}) = 5$, $Z(\mathrm{N}) = 7$, $Z(\mathrm{F}) = 9$.

1. a) Stellen Sie die Lewis-Formeln der beiden einzelnen Edukte und des Addukts $\mathrm{F_3B\text{--}NH_3}$ dar und geben Sie an, welches Atom bei der Bildung der Bor-Stickstoff-Bindung der Donor und welches der Akzeptor ist.
2. b) Berechnen Sie die Formalladungen von Bor und Stickstoff in den isolierten Edukten und im Endprodukt. Begründen Sie anhand der Ergebnisse, wie sich die Erfüllung der Oktettregel für Bor nach der Reaktion verändert.