Übungsaufgaben zum Gruppenpuzzle Wasser

Lösungen:
 

Die starke zwischenmolekulare Anziehungskraft der Wassermoleküle zeigt sich im hohen Siedepunkt, der besonders hohen Oberflächenspannung, der Dichteanomalie und der Existenz von über 2450 Eiskristallformen.

2. Warum ist das Wassermolekül ein Dipol?

Wasser ist ein Dipol, weil die 6 Eigenelektronen des Sauerstoffs und die zwei Bindungselektronen der Wasserstoffatome als Elektronenoktett zu vier Elektronenpaaren angeordnet sind, die die Ecken eines Tetraeders bilden. Zusammen mit dem Elektronegativitätsunterschied zwischen Sauerstoff und Wasserstoff in Verbindung mit zwei nichtbindenden Elektronenpaaren des Sauerstoffatoms und der gewinkelten Struktur ergeben sich zwei Ladungsschwerpunkte: ein Dipol.

3. Beschreibe die Bildung der Wasserstoffbrückenbindung!

Ein Sauerstoffatom kann einen Teil der Ladung der freien, nichtbindenden Elektronenpaare an ein H-Atom eines anderen Wassermoleküls übertragen, weil der Schwerpunkt der anderen O-H-Bindung beim O-Atom liegt.

4. Beschreibe die Wirkung grenzflächenaktiver Stoffe wie Seifen und Tenside!

Seifen und Tenside vermindern die Oberflächenspannung des Wassers, die durch die Wasserstoffbrückenbindung WBB bedingt ist. Seifen bilden in Wasser Anionen, die aus einem großen unpolaren und einem kleinen polaren Teil bestehen. Die unpolaren Teile richten sich aneinander an der Wasseroberfläche aus, im Kontakt mit der Luft. Die polaren Teile stecken im Wasser und werden dort von den Wassermolekülen eingeschlossen. Dadurch wird die Grenzflächenspannung = Oberflächenspannung vermindert.

5. Welchen Siedepunkt müsste Wasser haben, verglichen mit den Wasserstoffverbindungen der VI. Gruppe bzw. der 2. Periode?

Wasser müsste verglichen mit den Wasserstoffverbindungen der 6. Gruppe einen Siedepunkt von -80 °C haben.

6. Warum hat Ammoniak NH₃(g) einen tieferen Siedepunkt als Wasser, obwohl es drei Wasserstoffatome zur Herstellung von Wasserstoffbrückenbindungen hat?

Ammoniak NH₃ hat zwar drei H-Atome zur Ausbildung einer WBB, aber nur ein freies, nichtbindendes Elektronenpaar, so dass es insgesamt weniger WBB ausbilden kann.

7. Warum schwimmt festes Wasser (Eis!) auf dem Wasser und nicht unter dem Wasser, wie das normalerweise Feststoffe machen, die sich in einer flüssigen Phase des gleichen Stoffes befinden?

Weil aufgrund der Dichte-Anomalie des Wassers Eis eine geringere Dichte als Wasser besitzt. Im Eiskristall sind die Wassermoleküle in einem regelmäßigen Gitter mit relativ großen Hohlräumen angeordnet, so dass die Dichte von Eis geringer ist als die von Wasser selbst bei 0 °C.

8. Beschreibe die Anordnung der Wassermoleküle im Schnee- und Eiskristall!

Im Schnee- und Eiskristall sind die Wassermoleküle in einer hexagonalen Symmetrie angeordnet: von jedem Sauerstoffatom gehen tetraedrisch 2 Elektronenpaarbindungen und zwei Wasserstoffbrückenbindungen aus.

9. Was versteht man unter Elektronegativität?

Unter Elektronegativität versteht man das Vermögen eines Atoms, in einer Elektronenpaarbindung den Schwerpunkt der gemeinsamen Ladung zu sich zu ziehen. Je größer der EN-Wert, desto stärker die Verschiebung zu dem betreffenden elektronegativeren Atom.
Siehe auch das Arbeitsblatt: Die Elektronegativität

10. Streiche die Moleküle, die keine Wasserstoffbrückenbindungen bilden können, durch und kreise die anderen ein:

        H₂S,     HCl,    NH₃,     HBr,     CH₄,     SiH₄,     BH₃,     HI,     C₂H₆,     C₂H₅OH         CH₃COOH

Sie dazu auch das Arbeitsblatt: Chemische Bindungsarten

11. Welche Auswirkung hat die hohe zwischenmolekulare Anziehungskraft der Wassermoleküle?

Die Auswirkungen der hohen zwischenmolekularen Bindungskraft der Wassermoleküle sind 1. der hohe Siedpunkt, 2. die große Dichte, 3. die Oberflächenspannung und 4. die Ausbildung kristalliner Strukturen in Eis und in Schneekristallen.

12. Welche Stoffeigenschaften bestimmen den Siedepunkt eines Stoffes?

Den Siedepunkt eines Stoffes bestimmen die Stoffeigenschaften Molare Masse und Art sowie Stärke der zwischenmolekularen Bindungskraft.

13. Warum hat Wasser einen höheren Siedepunkt als Fluorwasserstoff, obwohl die O-H-Bindung weniger polar ist als die H-F-Bindung?

Weil das Sauerstoffatom im Wassermolekül mit seinen zwei nichtbindenden freien Elektronenpaaren zwei Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden kann, während das HF-Molekül trotz der drei freien nichtbindenden Elektronenpaare nur eine Wasserstoffbrückenbindung bilden kann.

14. Was versteht man unter der Dichteanomalie des Wassers?

Wasser hat bei 5 °C die größte Dichte von 1 g/mL, bei höheren Temperaturen nimmt die Dichte ab. Von 0 °C bis 5 °C steigt die Dichte von 0,9168 g/mL auf 1 g/mL.

15. Erkläre die Dichteanomalie?

Die Dichtenanomalie beruht darauf, dass die Wassermoleküle bei 5 °C dichter gepackt sind als in einem Eiskristall. Im Eiskristall sind die Moleküle in einem regelmäßigen Gitter mit relativ großen Hohlräumen angeordnet. Eis hat ein um ca. 10% größeres Volumen als eine gleich schwere Wasserportion.

16. Beschreibe die Symmetrie von Eiskristallen!

Von jedem Sauerstoffatom gehen tetraedrisch 2 Elektronenpaarbindungen und 2 Wasserstoffbrückenbindungen aus. Die tetraedrische Anordnung der Moleküle ergibt ein hexagonales Gitter.

Siehe dazu auch das Arbeitsblatt: Kristallstrukturen (I)

17. Welche Faktoren garantieren das Überleben von Wassertieren in einem zugefrorenen Teich?

Die Dichteanomalie des Wassers ist die Voraussetzung für das Überleben der Wassertiere. Eis bildet sich von oben und schwimmt auf dem Wasser. Zudem ist Eis ein sehr gutes Isoliermaterial, die Eisdecke sorgt dafür, dass das Wasser darunter nicht kälter als 5 °C wird. Die höchstens 75 cm dicke Eisschicht ist genügend lichtdurchlässig, so dass es darunter auch zur Photosynthese von Algen und damit zur Sauerstoffproduktion kommt.

18. Welche Elemente können Wasserstoffbrückenbindungen bilden in Verbindung mit Wasserstoff?

Nur die Elemente Stickstoff, Sauerstoff und Fluor, also die N-O-F-Reihe, sind für Wasserstoffbrückenbindungen fähig: sie besitzen in den Bindungen mit Wasserstoff freie, nichtbindende Elektronenpaare und sind elektronegativ genug, ein entsprechendes Dipolmoment hervorzurufen.