Chemische Bindungen - Lösungsvorschlag

– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
„Chemische Bindungen“
- Lösungsvorschlag Lisa möchte sich leckere Spaghetti kochen. Hierzu gibt sie reichlich Kochsalz in den mit kochendem
Wasser gefüllten Topf.
a) Erkläre Lisa mithilfe einer einfachen Skizze, was bei der Zugabe von Kochsalz in Wasser
passiert.
Kochsalz
Na+
Cl
b) Als sie das restliche Nudelwasser in den Abfluss kippt, stellt sie fest, dass sich am Boden ein
weißer Belag gebildet hat.
Beschreibe die Entstehung des weißen Belags unter Verwendung von Fachbegriffen.
Im Nudelwasser liegen hydratisierte Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl) vor. Beim weiteren
Kochen des Nudelwassers verdampfen die Wassermoleküle. Die Hydrathüllen lösen sich hierdurch auf und die Na+- und Cl- Ionen ziehen sich aufgrund ihrer entgegen gesetzten Ladungen
an. Im Topf bildet sich festes Natriumchlorid (Kochsalz), welches als weißer Rückstand auf dem
Boden zurück bleibt.
In ihrem Biologiebuch liest Paula folgenden Text über die Fotosynthese:
Pflanzen nehmen über die Spaltöffnungen in ihren Blättern das Kohlenstoffdioxid
aus der Luft auf. Zusammen mit Wasser, welches sie über die Wurzeln aufnehmen,
produzieren sie bei Einstrahlung von Sonnenlicht Traubenzucker (C6H12O6) und
Sauerstoff.
Paula möchte diesen komplizierten Text in einer Reaktionsgleichung ausdrücken.
Kannst du ihr dabei helfen?
6 CO2 +
6 H2O + E
C6H12O6
+
6 O2
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
Natriumchlorid kann man wie folgt herstellen:

In einen Standzylinder wird Sand bis zu einer Höhe von etwa 2 cm gefüllt. Anschließend leitet
man Chlorgas in diesen ein und deckt dann die Öffnung des Standzylinders mit einer Glasscheibe
ab.

Ein erbsengroßes Stück Natrium wird in ein Reagenzglas gegeben, das etwa einen Zentimeter
oberhalb des Reagenzglasbodens eine kleine Öffnung aufweist.

Das im Reagenzglas befindliche Natrium wird mithilfe des Bunsenbrenners bis es aufglüht erhitzt
und vorsichtig in den mit Chlorgas gefüllten Standzylinder gestellt.
Das Natrium reagiert mit dem Chlorgas unter Freisetzung von Licht- und Wärmeenergie.
a) Fertige mithilfe der gegebenen Informationen eine beschriftete Versuchsskizze an.
Standzylinder
Reagenzglas
Chlorgas
Natrium
Sand
b) Dein Banknachbar hat zu diesem Versuch die folgenden Teilreaktionen und die Gesamtreaktion
formuliert. Finde mögliche Fehler und verbessere sie.
Na
2 Cl2 + 2e
2 Na + 2 Cl2
Na+ + e | 2
2 Cl  2e
2 Na+ + 2 Cl+ E
c) Begründe, warum für diesen Versuch ein durchbohrtes Reagenzglas verwendet wird.
Ein durchbohrtes Reagenzglas wird verwendet, damit das Chlorgas schnell und direkt mit dem
Natrium in Kontakt kommt.
Gegeben sind Symbole und Formeln chemischer Substanzen. Die dazu passenden Begriffe sind
durcheinander geraten. Ordne sie korrekt zu. Mehrfachantworten sind möglich.
Lösungen:
1
Mg3P2
A
Molekül
2
CS2
B
Mg2+ und P3--Ionen im Verhältnis 3 : 2
3
N2
C
Kohlenstoffdisulfid
4
He
D
Atom
E
Magnesiumphosphid
F
Ionengitter
G
Stickstoff
1 b, e, f
2 a, c
3 a, g
4d
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
Frau Clever verwendet zum Kaffeekochen stets Wasser, das sie im Supermarkt an der Ecke einkauft.
Herr Wagner brüht seinen Kaffee mit gewöhnlichem Leitungswasser.
Erkläre aus chemischer Sicht, welchen Grund es haben könnte, dass Frau Clever den Kaffee nicht mit
Leitungswasser zubereitet.
Im Leitungswasser sind häufig zahlreiche Ionen, wie z. B. Ca2+- und Mg2+-Ionen enthalten. Beim Aufbrühen des Kaffees mit derartigem Leitungswasser entstehen in der Kaffeemaschine Kalkablagerungen. Um diese zu vermeiden, verwendet Frau Clever Wasser aus dem Supermarkt
Schwefelwasserstoff und Wasser haben bei Zimmertemperatur verschiedene Aggregatzustände.
Der eine Stoff ist flüssig, der andere gasförmig.
a) Ordne jeder der Abbildungen den entsprechenden Namen zu.
Schwefelwasserstoff
Wasser
b) Gib die Strukturformeln für die Moleküle beider Stoffe an.
Begründe mit Worten und anhand einer aussagekräftigen Skizze den unterschiedlichen
Aggregatzustand.
H
 H


O
H
S
H
H

H O

schwacher Dipol 
schwache Anziehungskräfte zwischen den
Molekülen
 gasförmig
Dipol 
zwischen den Molekülen herrschen starke
Anziehungskräfte (Wasserstoffbrücken)
 flüssig


Die Tabelle zeigt einen Ausschnitt aus dem PSE mit den Atomradien in Ångström einiger wichtiger
Elemente.
1
2
3
4
I
II
III
IV
V
VI
VII
H
37
Li
157
Na
191
K
235
Be
111
Mg
160
Ca
197
B
82
Al
143
Ga
153
C
77
Si
117
Ge
122
N
70
P
110
As
121
O
66
S
104
Se
117
F
64
Cl
99
Br
114
Beschreibe und erkläre die auftretenden Regelmäßigkeiten hinsichtlich der Atomradien.
Innerhalb einer Periode nimmt von links nach rechts die Anzahl an Protonen im Kern zu. Die Anziehungskraft des Kerns wird größer, d. h. die Elektronen auf den Schalen werden stärker angezogen.
Der Atomradius nimmt ab.
Innerhalb einer Gruppe steigt die Anzahl der Schalen von oben nach unten an, die Atomradien werden
größer.
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
Alle Elemente streben einen möglichst energiearmen Zustand an, den sie durch vielfältige Reaktionen
erreichen können.
a) Wie nennt der Chemiker diesen Zustand und wie erklärt er ihn?
Alle Elemente streben die energetisch günstige Edelgaskonfiguration (Oktettzustand) an.
Als Oktettzustand bezeichnet man eine mit acht Valenzelektronen besetzte Außenschale (Valenzschale). Als Ausnahme erreichen die Elemente der ersten Periode diesen bereits mit zwei
Elektronen auf der Außenschale. Durch Reaktion mit anderen Stoffen kann dieser energetisch
günstige Zustand erreicht werden.
b) Gibt man etwas Aluminium in Brom, so reagieren beide Elemente heftig miteinander.
Erkläre mit eigenen Worten, was bei dieser Reaktion auf Teilchenebene passiert.
Das Aluminiumatom gibt seine drei Elektronen ab und wird zum Aluminiumkation (Al 3+).
Bromatome nehmen je ein Elektron auf und werden so zu Bromanionen (Br ). Beide erreichen
dadurch die Edelgaskonfiguration.
c) Formuliere die Reaktionsgleichung mithilfe von Teilgleichungen.
| 2
| 3
Al
Br2 + 2e
Al 3+ + 3e
2 Br 
2 Al + 3 Br2
2 Al3+ + 6 Br
d) Die Tabellen geben die Atom- und Ionenradien einiger wichtiger Elemente in Ångström an.
Atomradien in …
I
II
III
IV
V
Ionenradien in …
VI
VII
1
H
37
2
Li
157
Be
111
B
82
C
77
N
70
O
66
F
64
3
Na
191
Mg
160
Al
143
Si
117
P
110
S
104
Cl
99
4
K
235
Ca
197
Ga
153
Ge
122
As
121
Se
117
Br
114
I
1
2
3
4
II
III
IV
V
VI
VII
Li+
Be2+
B3+
C4+
76
45
27
16
N2
O2 
F
171
140
133
Na+
Mg2+
Al3+
Si4+
P5+
S2
Cl
181
H+
0,013
102
72
54
48
44
184
K+
Ca2+
Ga3+
Ge4+
As5+
138
100
62
53
56
Se2
Br
198
196
Vergleiche Atom- und Ionenradien von Brom und Aluminium und erkläre die Unterschiede im Hinblick
auf die in Teilaufgabe c) beschriebene Reaktion.
Das Aluminiumatom (Al) erreicht durch Elektronenabgabe die Edelgaskonfiguration und wird zum
Aluminiumion (Al3+). Die dritte Schale ist nun nicht mehr mit Elektronen besetzt. Es befinden sich nun
13 Protonen im Kern und nur noch 10 Elektronen in der Hülle. Der positiv geladene Kern zieht die
restlichen Elektronen stärker an, der Radius des Aluminiumkations ist somit kleiner als der des
Aluminiumatoms. Umgekehrt verhält es sich beim Bromatom: Durch Elektronenaufnahme verringern
sich die Anziehungskräfte des Kerns auf die Elektronen in der Hülle, das Bromidion (Br) ist größer als
das Bromatom (Br).
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
In der letzten Chemiestunde hat dein Lehrer das folgende Experiment durchgeführt.
Leider hast du in der Stunde nicht richtig aufgepasst.
Magnesium
mit Chlorgas gefüllter
Standzylinder
grelles
Leuchten
weißer, kristalliner
Feststoff
a) Gib an, welche Stoffe an der Reaktion beteiligt sind und zeichne die Bohr´schen Atommodelle für
die beiden Stoffe.
Magnesium und Chlor sind an der Reaktion beteiligt.
17+
12+
Magnesiumatom
Chloratom
(Alternative: Chlormolekül)
b) Schreibe für das dargestellte Experiment eine Versuchsanleitung und beschreibe alle abgebildeten
Beobachtungen. Verwende dazu die chemische Fachsprache.
Ein Stückchen Magnesium wird über einer Bunsenbrennerflamme entzündet und in einen mit
Chlorgas gefüllten Erlenmeyerkolben gegeben. Das Magensiumstück brennt im Chlorgas mit hell
leuchtender Flamme weiter. Am Ende der Reaktion ist das Magnesium vollständig verbrannt und
am Boden des Kolbens befindet sich ein weißer Feststoff.
c) Formuliere nun die Reaktionsgleichung und benenne das Produkt chemisch korrekt.
Mg + Cl2
MgCl2 + E
Magnesiumdichlorid
d) Das Reaktionsprodukt gehört zu einer bestimmten Stoffgruppe.
Wie heißt diese? Nenne zwei weitere Stoffe, die zu dieser Gruppe gehören.
Das Produkt gehört zu den Salzen.
Bsp.: Natriumchlorid (NaCl), Kaliumhydroxid (KOH),…
e) Erkläre mithilfe der Bohr´schen Atommodelle aus Teilaufgabe b), wie es zur Bildung des Produktes
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kommt (Tipp: Es muss noch ein weiteres Bohr´sches Atommodell gezeichnet werden.).
Übertragung eines
Valenzelektrons
17+
2+
17+
12+
12+
17+
17+
Übertragung eines
Valenzelektrons
f) Das Reaktionsprodukt ist ein sehr harter Feststoff – weißt du warum?
Bei der Reaktion von Magnesium (=Metall) mit Chlor (=Nichtmetall) kommt es zu einer Elektronenübertragung von Metallatomen auf Nichtmetallatome. Hierdurch erreichen beide Stoffe den stabilen
Oktettzustand. Folge dieser Übertragung ist jedoch, dass die zunächst nach außen hin
ungeladenen Atome nun zu Ionen werden. Die positiv geladenen Magnesiumionen (Mg2+) und die
negativ geladenen Chloridionen (Cl ) ziehen sich gegenseitig stark an. Der so entstandene
Feststoff ist aufgrund der Anziehungskräfte der Teilchen sehr hart.
In deinem Chemiebuch findest du die folgende Abbildung:
Die Atombindung
Atomhülle
(mit Elektronen)
1+
1+
H
H
Atomkern
mit einem
Proton
bindende
Elektronen
(gemeinsames e- - Paar)
a) Worum könnte es auf der Seite im Chemiebuch gehen? Überlege dir eine passende Überschrift für
das Bild und trage diese über der Abbildung ein.
b) Beschrifte alle mit Pfeilen markierten Bausteine in der Abbildung mit Fachbegriffen.
c) Schreibe einen Text, mit dessen Hilfe du einem Mitschüler die Zeichnung genau erklären könntest.
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
Die Skizze zeigt modellhaft zwei Wasserstoffatome, die über eine Atombindung miteinander verbunden sind. Durch die Ausbildung eines gemeinsamen Elektronenpaares, das durch die Protonen
beider Kerne angezogen wird, kommt es zur Bindung. Es handelt sich um eine modellhafte Abbildung eines Wasserstoffmoleküls.
d) Einer deiner Mitschüler hat die folgenden Skizzen angefertigt.
9+
F
9+
F
1+
17+
H
Cl
8+
1+
1+
O
H
H
I. In die Zeichnungen haben sich einige Fehler eingeschlichen. Finde und verbessere diese.
II. Leider hat dein Klassenkamerad vergessen, die einzelnen Atome zu beschriften.
Ergänze die zugehörigen Elementsymbole auf den Linien unter den Zeichnungen.
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
Im Unterricht wurde ein Experiment zum Thema
„Analyse von Wasser – der Hofmann´sche Zersetzungsapparat“
durchgeführt sowie eine Versuchsskizze und eine Tabelle angefertigt.
Elektroden
Gasblasen steigen
auf
Batterie
9V
Mit Wasser gefüllte Schale
Zeit
Gasmenge
30 s
1 min
2 min
3 min
5 min
7 min
Linke Elektrolysezelle
1 ml
2 ml
4 ml
6 ml
10 ml
12 ml
Rechte Elektrolysezelle
0,5 ml
1 ml
2 ml
3 ml
5 ml
6 ml
Bearbeite die folgenden Aufgaben zum Experiment.
Aufgabe 1:
a) Erkläre mithilfe einer Wortgleichung, welche chemische Reaktion nach Anschluss der Batterie in
den Elektrolysezellen abläuft.
2 H2 O + E
2 H2 + O2
b) Beschreibe genau, wie du mithilfe von Nachweisreaktionen beweisen könntest, dass die unter 1 a)
angegebenen Reaktionsprodukte tatsächlich entstehen.
Wasserstoffgas
Reaktionsrodukt 1: __________________________
Beschreibung der Nachweisreaktion:
Knallgasprobe: Das gebildete Wasserstoffgas wird in ein Reagenzglas gefüllt. Man bringt das Gefäß mit der Mündung an eine Flamme. Es erfolgt eine Verbrennung mit einem pfeifenden Geräusch, da sich an der Mündung des Reagenzglases ein Wasserstoff-Luft-Gemisch (Knallgas) gebildet hat.
Sauerstoffgas
Reaktionsprodukt 2: __________________________
Beschreibung der Nachweisreaktion:
Glimmspanprobe: Ein glimmender Holzspan wird in das Gefäß mit dem zu überprüfenden Sauerstoffgas gehalten. Es flammt der glimmende Holzspann auf und beginnt erneut zu brennen.
Aufgabe 2:
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
a) Vergleiche die in den Elektrolysezellen entstandenen Gasmengen miteinander (s. Tabelle).
Was fällt dir auf?
In der linken Elektrolysezelle ist im Vergleich zur rechten Elektrolysezelle die doppelte Gasmenge
entstanden.
b) Finde nun eine chemisch korrekte Erklärung für deine Feststellung aus Aufgabe 2a).
Tipp: Das Wassermolekül kann dir dabei helfen.
Das Verhältnis der entstehenden Mengen an Wasserstoff- und Sauerstoffgas
ist 2:1. Der Grund dafür ist in dem Verhältnis von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, die jeweils in einem Molekül Wasser gebunden sind, zu sehen.
Aufgabe 3:
Ordne den folgenden Fachbegriffen durch Pfeile die richtigen Erklärungen zu. Ergänze die fehlende
Definition und stelle alle falschen Aussagen richtig.
zwei
Analyse
Teilchen, die aus mindestens drei miteinander
verbundenen Atomen bestehen.
Exotherme Reaktion
Stoff, welcher mit chemischen Methoden nicht
weiter in andere Stoffe zerlegt werden kann.
Molekül
Element
Chemische Reaktion, bei der aus einem Stoff
zwei oder mehrere Stoffe entstehen.
Chemische Reaktion, bei der Energie freigesetzt
wird.
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