Warum verdampft Wasser nicht so leicht wie viele andere kleine Moleküle? Prüfe zuerst die Ladungsverteilung eines Moleküls und erkenne dann die Anziehungskräfte zwischen verschiedenen Molekülen.
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Lösungen mit Erklärungen
Null – Die ungleiche Ladungsverteilung ändert nicht die ausgeglichene Gesamtladung.
London-Kräfte – Methan besitzt keinen permanenten Dipol, zeigt aber London-Dispersionswechselwirkungen.
Der Donator – Der Donator trägt das geeignete gebundene H. Der Akzeptor stellt ein geeignetes freies Paar bereit.
Dipolmoleküle erkennen: Polare Bindungen und Molekülform gemeinsam prüfen
Ein Dipolmolekül besitzt dauerhaft eine eher positive und eine eher negative Seite. Es ist insgesamt elektrisch neutral. Entscheidend ist, dass die Schwerpunkte seiner positiven und negativen Ladung räumlich getrennt sind. Diese Ladungsverteilung beschreibt man durch ein permanentes Dipolmoment.
1 · Sind Bindungen polar?
Vergleiche die Elektronegativitäten der Bindungspartner. Das elektronegativere Atom trägt δ−, der andere Partner δ+.
Beispiel: O–H und C=O sind polare Bindungen.
2 · Heben sich die Beiträge auf?
Betrachte die räumliche Molekülform. Gleich große, entgegengesetzte Bindungsdipole können sich aufheben.
CO2: linear → kein permanenter Dipol. H2O: gewinkelt → permanenter Dipol.
Für die Entscheidung brauchst du deshalb zwei Informationen: Welche Bindungen sind polar, und wie sind sie im Raum angeordnet? Bindungsdipole sind gerichtete Beiträge. Gleich große Beiträge können sich bei passender Symmetrie aufheben.
„Das Molekül enthält Sauerstoff“ genügt nicht als Dipolbegründung. Ebenso wenig genügt eine große Elektronegativitätsdifferenz einer einzelnen Bindung. Die gesamte Molekülgestalt muss berücksichtigt werden.
Moleküldipole, Wasserstoffbrücken und London-Kräfte im Modell untersuchen
Vergleiche zuerst die Ladungsverteilung von CO₂ und H₂O. Wechsle danach zu „Wasserstoffbrücke“ und „London-Kräfte“: Jetzt betrachtest du Anziehungen zwischen verschiedenen Teilchen.
Die zwei gleichartigen polaren C=O-Bindungen liegen auf einer Geraden. Ihre Dipolbeiträge sind gleich groß und entgegengesetzt. CO₂ besitzt deshalb kein permanentes molekulares Dipolmoment.
Vorhersagen und überprüfen: CO₂ hat kein permanentes Dipolmoment. Bedeutet das, dass zwischen CO₂-Molekülen gar keine Anziehung wirkt? Prüfe das Bild „London-Kräfte“.
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Nein. London-Kräfte wirken auch zwischen unpolaren Molekülen wie CO₂. Kurzzeitige Schwankungen der Elektronenverteilung können in Nachbarteilchen ebenfalls eine Ladungsverschiebung hervorrufen. Ein permanenter Dipol ist dafür nicht erforderlich.
H₂O ist ein Dipol, CO₂ nicht: Gewinkelte und lineare Molekülform vergleichen
1. Bindungspolarität prüfen: Sauerstoff ist elektronegativer als Wasserstoff und Kohlenstoff. Die O–H-Bindungen in Wasser und die C=O-Bindungen in CO₂ sind deshalb polar; die Elektronendichte ist jeweils zur O-Seite verschoben.
2. Gestalt bestimmen: CO₂ ist linear. Wasser besitzt am Sauerstoff zwei Bindungen und zwei freie Elektronenpaare und ist gewinkelt. Seine H–O–H-Bindungen bilden etwa 104,5°.
3. Beiträge zusammenfassen: Bei CO₂ zeigen zwei gleich große Beiträge genau entgegengesetzt und heben sich auf. Beim gewinkelten Wasser tun sie das nicht. Wasser besitzt daher ein permanentes Dipolmoment, CO₂ nicht.
4. Aussage begrenzen: Kein permanenter Dipol bedeutet nicht, dass ein Teilchen überhaupt keine Wechselwirkungen zeigt. Auch zwischen CO₂-Molekülen wirken Anziehungen, insbesondere London-Kräfte; weitere Beiträge sind möglich.
Elektronenverteilungen sind nicht starr. Momentane Schwankungen können eine vorübergehende unsymmetrische Ladungsverteilung erzeugen. Diese beeinflusst die Elektronenverteilung eines Nachbarteilchens. Aus den miteinander verknüpften Schwankungen ergibt sich eine anziehende Wechselwirkung: die London-Dispersionskraft.
London-Kräfte wirken auch zwischen unpolaren Molekülen und Edelgasatomen. Sie verschwinden bei polaren Molekülen nicht, sondern kommen dort ebenfalls vor. Deshalb ist „unpolar bedeutet keine Anziehung“ falsch.
Die Stärke hängt unter anderem davon ab, wie leicht sich die Elektronenwolke verformen lässt. Größere, gut polarisierbare Teilchen zeigen häufig stärkere Dispersionswechselwirkungen. Auch die Kontaktfläche und Molekülform spielen eine Rolle. Eine längliche Form kann einen anderen Kontakt ermöglichen als eine kompakte, stark verzweigte Form.
Dipol-Dipol-Kräfte: Permanente Teilladungen benachbarter Moleküle ziehen sich an
Permanente Dipole können sich so anordnen, dass die positive Seite eines Moleküls der negativen Seite eines anderen nahekommt. Diese günstige Orientierung führt zu zusätzlicher Anziehung. Andere Orientierungen können ungünstiger sein; Wärmebewegung verändert die Anordnung ständig.
In einer Flüssigkeit stehen die Moleküle deshalb nicht wie starre kleine Magnete in einem perfekt geordneten Raster. Die Darstellung erklärt ein Wechselwirkungsprinzip, keine dauerhaft fixierte Struktur. London-Kräfte wirken zusätzlich.
Aus dem Wort „polar“ allein folgt keine genaue Siedetemperatur. Größe, Form, Polarisierbarkeit und mögliche Wasserstoffbrücken müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Vergleiche möglichst ähnliche Moleküle, wenn du den Einfluss einer einzelnen Kraftart herausarbeiten möchtest.
Wasserstoffbrücken erkennen: Donor und Akzeptor
Atombindung und Wasserstoffbrücke unterscheiden
Blaue durchgezogene Striche: O–H-Atombindungen innerhalb der beiden Wassermoleküle. Grüne gestrichelte Linie: H···O-Wasserstoffbrücke zwischen den Molekülen.
Links liegt der Donor: Er stellt das an O gebundene H bereit. Rechts liegt der Akzeptor: Sein O stellt ein freies Elektronenpaar bereit. In dieser vereinfachten Strukturzeichnung sind freie Paare und Teilladungen nicht eingezeichnet.
Für die typischen Schulbeispiele benötigt eine Wasserstoffbrücke ein H-Atom, das direkt an N, O oder F gebunden ist, und einen geeigneten Partner mit einem freien Elektronenpaar, meist ebenfalls N, O oder F. Man unterscheidet den Donor mit der N–H-, O–H- oder F–H-Bindung und den Akzeptor mit dem freien Paar.
Ein Molekül mit Sauerstoff, aber ohne O–H- oder N–H-Gruppe kann gegebenenfalls als Akzeptor wirken, ohne selbst einen passenden Donor zu besitzen. Die Aussage „Jeder Stoff mit O bildet untereinander Wasserstoffbrücken“ ist daher zu pauschal.
Wasserstoffbrücken sind gerichtet und oft stärker als einzelne vergleichbare Dipolkontakte. Daraus folgt aber keine universelle Rangliste für ganze Stoffe: Viele Dispersionskontakte eines großen Moleküls können zusammen erheblich sein.
Ethanol: Donor und Akzeptor
CH3–CH2–O–H
Die O–H-Gruppe liefert einen Donor. Freie Elektronenpaare am O ermöglichen auch die Akzeptorrolle.
Zwischen Ethanolmolekülen: Wasserstoffbrücken möglich.
Dimethylether: nur Akzeptor
CH3–O–CH3
Am O sitzen freie Elektronenpaare, aber kein H. Die an C gebundenen H-Atome sind keine üblichen Wasserstoffbrückendonoren im Schulmodell.
Untereinander: keine üblichen O–H···O-Brücken. Mit Wasser: als Akzeptor möglich.
Gekürzte Strukturformeln: C–H-Bindungen und freie Elektronenpaare sind nicht einzeln gezeichnet.
Sieden und Löslichkeit: Zwischenmolekulare Anziehung erklärt Stoffeigenschaften
Beim Verdampfen von Wasser werden Moleküle räumlich voneinander getrennt. Dafür müssen zwischenmolekulare Anziehungen überwunden werden. Die O–H-Atombindungen im Molekül bleiben beim gewöhnlichen Sieden erhalten: Wasserdampf besteht weiterhin aus H₂O, nicht aus Wasserstoff und Sauerstoff.
Stärkere zwischenmolekulare Anziehung führt bei vergleichbaren Stoffen häufig zu höherer Siedetemperatur. Vergleiche dabei denselben Außendruck, denn auch er beeinflusst das Sieden. Die ausgedehnten Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen erklären einen wichtigen Teil seiner besonderen Eigenschaften.
Beim Lösen oder Mischen werden alte Kontakte durch neue ersetzt. „Ähnliches löst sich in Ähnlichem“ ist eine Orientierung, keine Garantie. Entscheidend ist unter anderem, ob günstige Kontakte zwischen den verschiedenen Teilchen entstehen können; außerdem spielt die Entropie eine Rolle.
Kräfte zuordnen: London-Kräfte wirken in allen drei Beispielen
Beispiel
Wichtige Anziehungen zwischen den Molekülen
Methan · CH4
London-Kräfte
Chlorwasserstoff · HCl
London-Kräfte und permanente Dipol-Dipol-Wechselwirkungen
Wasser · H2O
London-Kräfte, permanente Dipolwechselwirkungen und Wasserstoffbrücken
Wasserstoffbrücken werden im Schulmodell gesondert benannt. Die Tabelle zeigt, welche Wechselwirkungen du berücksichtigen musst; sie ist keine Rangliste für Siedetemperaturen.
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Alle 18 Aufgaben mit Lösungen zum Nachlesen
1 · Erkennen und zuordnen
1. Welche Aussage beschreibt ein neutrales Dipolmolekül?
Es enthält ausschließlich unpolare Bindungen
Seine positiven und negativen Ladungsschwerpunkte sind räumlich getrennt
Es besitzt immer eine Gesamtladung von +1
Lösung und Erklärung
Seine positiven und negativen Ladungsschwerpunkte sind räumlich getrennt
Ein permanenter Dipol kann insgesamt neutral sein und trotzdem eine unsymmetrische Ladungsverteilung besitzen.
2. Welche beiden Informationen werden für die einfache Dipolprüfung benötigt?
Bindungspolarität und Molekülform
Nur Molekülmasse und Farbe
Nur die Anzahl der H-Atome
Lösung und Erklärung
Bindungspolarität und Molekülform
Polare Bindungen liefern gerichtete Beiträge. Die räumliche Anordnung bestimmt, ob sie sich aufheben.
3. Zwischen welchen Teilchen wirken London-Kräfte auch?
Nur zwischen positiv geladenen Ionen
Nur zwischen Molekülen mit O–H-Bindung
Zwischen Edelgasatomen
Lösung und Erklärung
Zwischen Edelgasatomen
Momentane und induzierte Ladungsverschiebungen können auch bei unpolaren Teilchen und Edelgasatomen Anziehung erzeugen.
4. Welche Orientierung zweier permanenter Dipole begünstigt Anziehung?
Die Moleküle verlieren zuvor alle Elektronen
Die positive Seite liegt nahe der negativen Seite des Nachbarn
Beide positiven Seiten liegen möglichst dicht beieinander
Lösung und Erklärung
Die positive Seite liegt nahe der negativen Seite des Nachbarn
Entgegengesetzte Teilladungen können sich in günstiger Orientierung anziehen.
5. Welche Bindung kann in typischen Schulbeispielen einen Wasserstoffbrückendonator bereitstellen?
O–H
C–C
C–H in Methan
Lösung und Erklärung
O–H
Ein direkt an O gebundenes H kann als Donator wirken; typische Beispiele verwenden H an N, O oder F.
6. Welche Rolle hat ein geeignetes freies Elektronenpaar bei einer Wasserstoffbrücke?
Es muss einen neuen Atomkern bilden
Es ersetzt grundsätzlich die Donatorbindung
Es kann die Akzeptorstelle bilden
Lösung und Erklärung
Es kann die Akzeptorstelle bilden
Ein Akzeptor stellt ein geeignetes freies Elektronenpaar bereit, im Schulmodell meist an N, O oder F.
2 · Anwenden und erklären
1. Warum besitzt das lineare CO₂ trotz polarer Bindungen keinen permanenten Dipol?
Ein Molekül mit drei Atomen kann nie ein Dipol sein
Gleich große entgegengesetzte Bindungsbeiträge heben sich auf
Die C=O-Bindungen sind völlig unpolar
Lösung und Erklärung
Gleich große entgegengesetzte Bindungsbeiträge heben sich auf
Die symmetrische lineare Anordnung führt zur Aufhebung der Beiträge.
2. Warum besitzt Wasser ein permanentes Dipolmoment?
Die polaren O–H-Beiträge heben sich in der gewinkelten Form nicht auf
Wasser trägt immer die Gesamtladung −2
Wasser hat nur eine O–H-Bindung
Lösung und Erklärung
Die polaren O–H-Beiträge heben sich in der gewinkelten Form nicht auf
Die gewinkelte Gestalt verhindert die vollständige Aufhebung der Bindungsdipole.
3. Welche Wechselwirkungen sind zwischen HCl-Molekülen im hier verwendeten Schulmodell zu berücksichtigen?
Ausschließlich London-Kräfte
Ausschließlich typische N/O/F-Wasserstoffbrücken
London-Kräfte und permanente Dipol-Dipol-Wechselwirkungen
Lösung und Erklärung
London-Kräfte und permanente Dipol-Dipol-Wechselwirkungen
HCl ist ein permanenter Dipol. London-Kräfte wirken zusätzlich; die typischen Schulregeln für Wasserstoffbrücken werden hier auf N, O und F bezogen.
4. Welche Aussage zu Ethanol CH₃–CH₂–OH passt?
Es besitzt keinerlei freie Elektronenpaare
Es kann Wasserstoffbrückendonator und -akzeptor sein
Es hat nur eine Akzeptorstelle, aber keinen Donator
Lösung und Erklärung
Es kann Wasserstoffbrückendonator und -akzeptor sein
Die O–H-Gruppe liefert einen Donator, freie Paare am O ermöglichen die Akzeptorrolle.
5. Dimethylether CH₃–O–CH₃ hat freie Paare am O, aber kein O–H. Was folgt im Schulmodell?
Akzeptor möglich, aber kein eigener typischer Wasserstoffbrückendonator
Donator möglich, aber keine Akzeptorstelle
Weder London-Kräfte noch Dipolkräfte möglich
Lösung und Erklärung
Akzeptor möglich, aber kein eigener typischer Wasserstoffbrückendonator
Dimethylether kann etwa mit Wasser als Akzeptor Wasserstoffbrücken bilden, stellt selbst aber kein an N, O oder F gebundenes H bereit.
6. Welche Wechselwirkungen werden beim gewöhnlichen Verdampfen von Wasser hauptsächlich überwunden?
Die O–H-Atombindungen innerhalb jedes Moleküls
Die Bindungen innerhalb der Atomkerne
Zwischenmolekulare Anziehungen
Lösung und Erklärung
Zwischenmolekulare Anziehungen
Beim Verdampfen werden Moleküle voneinander getrennt. H₂O bleibt als Molekül erhalten.
3 · Prüfen und übertragen
1. „Unpolar bedeutet, dass keinerlei Anziehung wirkt.“ Wie beurteilst du das?
Richtig, nur Ionen ziehen sich an
Falsch, London-Kräfte wirken auch zwischen unpolaren Teilchen
Richtig, unpolare Stoffe können nie flüssig werden
Lösung und Erklärung
Falsch, London-Kräfte wirken auch zwischen unpolaren Teilchen
Vorübergehende Ladungsverschiebungen ermöglichen Anziehung ohne permanenten Dipol.
2. „Jedes Molekül mit O bildet mit seinesgleichen Wasserstoffbrücken.“ Was fehlt an der Begründung?
Ein geeigneter Donator muss zusätzlich zum Akzeptor vorhanden sein
Jedes O muss zuvor die Gesamtladung +2 erhalten
Die Moleküle müssen mindestens zehn O-Atome besitzen
Lösung und Erklärung
Ein geeigneter Donator muss zusätzlich zum Akzeptor vorhanden sein
Ein O-Atom allein reicht nicht. Dimethylether besitzt etwa einen Akzeptor, aber keinen typischen Donator.
3. Warum folgt aus „Stoff A ist polar“ allein keine höhere Siedetemperatur als bei jedem unpolaren Stoff?
Polare Moleküle haben grundsätzlich keine London-Kräfte
Nur die Zahl der Elemente entscheidet über das Sieden
Größe, Form und Polarisierbarkeit beeinflussen die gesamte Anziehung ebenfalls
Lösung und Erklärung
Größe, Form und Polarisierbarkeit beeinflussen die gesamte Anziehung ebenfalls
Viele Dispersionskontakte großer Teilchen können erheblich sein. Vergleiche sollten möglichst ähnliche Stoffe bei gleichem Druck betreffen.
4. Welche Aussage über London-Kräfte bei polaren Molekülen stimmt?
Sie wirken nur nach Spaltung aller Bindungen
Sie wirken zusätzlich zu anderen Wechselwirkungen
Sie verschwinden vollständig wegen des permanenten Dipols
Lösung und Erklärung
Sie wirken zusätzlich zu anderen Wechselwirkungen
Die Elektronenverteilung schwankt auch bei polaren Molekülen; London-Kräfte bleiben vorhanden.
5. Warum sind Moleküle in einer polaren Flüssigkeit nicht dauerhaft wie starre Magnete ausgerichtet?
Wärmebewegung verändert ihre Orientierung ständig
Permanente Dipole verlieren in Flüssigkeiten grundsätzlich jede Polarität
Jedes Molekül wird im Sekundenabstand zu einem Ion
Lösung und Erklärung
Wärmebewegung verändert ihre Orientierung ständig
Günstige Dipolkontakte sind möglich, aber die Flüssigkeitsstruktur bleibt dynamisch.
6. Wie ist „Ähnliches löst sich in Ähnlichem“ einzuordnen?
Als ausnahmslose Garantie für vollständige Mischbarkeit
Als Aussage, dass nur die Stoffnamen ähnlich sein müssen
Als Orientierung, bei der neue Kontakte und weitere Beiträge mitbedacht werden müssen
Lösung und Erklärung
Als Orientierung, bei der neue Kontakte und weitere Beiträge mitbedacht werden müssen
Beim Mischen werden Kontakte ersetzt. Wechselwirkungen und unter anderem Entropie beeinflussen den Vorgang.
Wie sicher bist du jetzt?
Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.
Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.
Lösungen mit Erklärungen
Gasförmiges H₂O – Sieden ist ein Zustandswechsel und keine chemische Zerlegung der Wassermoleküle.
Akzeptor über freie Paare am O – Dem Ether fehlt ein eigener typischer Donator, aber sein O kann eine Wasserstoffbrücke vom Wasser aufnehmen.
Kein permanenter Dipol, aber zwischenmolekulare Anziehung möglich – Die Aufhebung der permanenten Beiträge verhindert London-Kräfte und weitere Wechselwirkungen nicht.
Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.
