Die Bindungen zwischen Atomen in ausgewählten Elementen

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Klasse: ________________
Die Bindungen zwischen Atomen in ausgewählten Elementen
Eine Unterrichtsreihe zum eigenverantwortlichen Arbeiten
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Die Bindungen zwischen Atomen in ausgewählten Elementen
Einleitung
Wieso gibt es Wasserstoff-Moleküle? Wie leiten Metalle elektrischen Strom?
Warum sind Diamanten so hart? Weshalb ist Stickstoff so reaktionsträge?
Du kennst viele chemische Elemente und den Aufbau der Atome, aus denen sie bestehen. Um
ihre Eigenschaften erklären zu können, muss man wissen, wie die Atome in den elementaren
Stoffen zusammenhalten. Dies wirst du in den folgenden Stationen kennen lernen.
Station
Inhalt
Offene Fragen
1. Grundlagen
- chemische Elemente
2. Wasserstoff I
- mit Wasserstoff schweißen?
3. Wasserstoff II
- vom Atom zum Molekül
4. Stickstoff
- Hauptbestandteil der Luft
5. Kohlenstoff
- in seiner schönsten Form
6. Metalle
- elektr. Leitfähigkeit
7. Zusammenfassung
- was ich gelernt habe
Arbeitsauftrag:
1. Arbeite mit deiner Gruppe.
2. Nehmt euch eine Station mit Materialen und den jeweiligen Arbeitsblättern (Nummer 1 sollte
die erste, Nummer 7 die letzte Station sein). Diskutiert die Fragen und Aufgaben auf den
Arbeitsblättern, führt die Arbeitsaufträge durch und dokumentiert eure Ergebnisse und
Antworten ausführlich.
3. Experimentiert sorgfältig und umsichtig! Tragt eine Schutzbrille!
4. Ergänze in der Tabelle (s.o.) den Inhalt der Station und noch offene Fragen.
5. Stellt die Materialien zurück, vermerkt es auf dem Plakat und wechselt zur nächsten Station.
6. Wenn alle Stationen bearbeitet sind, werdet ihr eine Station präsentieren (Losverfahren).
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Die Bindungen zwischen Atomen in ausgewählten Elementen
1. Grundlagen –
chemische Elemente
Mit den folgenden Stationen wirst du verstehen lernen, wie man Eigenschaften von
chemischen Elementen aufgrund der Bindungen zwischen den Atomen erklären kann.
Dafür ist es notwendig, einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften ausgewählter
Elemente zu haben und jeweils den Aufbau der Atome in diesen Elementen zu kennen.
I. Bist du fit? Schätze dich ein:
kann ich
gut
kann ich
teilweise
ich bin
unsicher
ich habe
Probleme
a) Ich kann die Aufbauprinzipien des
Periodensystems der Elemente beschreiben, das
PSE als Ordnungs- und Klassifikationsschema
nutzen, Haupt- und Nebengruppen unterscheiden.
b) Ich kann Protonen, Neutronen, Elektronen als
Bausteine von Atomen nennen und ihre
charakteristischen Eigenschaften angeben.
c) Ich kann Atome mithilfe eines differenzierten
Kern-Hülle-Modells beschreiben.
d) Ich kann chemische Reaktionen energetisch
differenziert beschreiben, z.B. mithilfe eines
Energiediagramms.
e) Ich kann Reaktionen zum Nachweis chemischer
Stoffe einsetzen (Knallgasprobe,
Kalkwasserprobe, Wassernachweis,
Glimmspanprobe)
II. Prüfe:
a) Was ist ein chemisches Element?
b) Beschreibe die folgenden Stoffe mit ihren typischen Eigenschaften. Erstellt in eurer Gruppe zu
den Elementen jeweils Steckbriefe mit den Stoffeigenschaften, ergänzt mit einem kleinen Bild.
Nichtmetalle:
Wasserstoff
Sauerstoff
Stickstoff
Chlor
Kohlenstoff/Diamant
Metalle:
Magnesium
Kupfer
Edelgas:
Neon
c) Beschreibe den Bau von Atomen nach dem Bohr´schen Atommodell jeweils am Beispiel der oben
angegebenen
Elemente
und
beschreibe
die
Position
des
Atoms
im
PSE.
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2. Wasserstoff I –
mit Wasserstoff schweißen?
Wasserstoff-Gas besteht aus zweiatomigen Wasserstoff-Molekülen H2 . Warum sind es
nicht einzelne Wasserstoff-Atome H ?
Notiere deine Vermutungen: ___________________________________________
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Versuch:
Wasserstoff und Wasserstoff im Entstehen - gibt es Unterschiede?
Versuchsaufbau:
Geräte und Chemikalien:
Schutzbrille !
2 Reagenzgläser, 2 Reagenzgläser mit seitlichem Ansatz, Gummistopfen, 2 Glasrohre, 2
kurze Gummischläuche, Spatel, Pipette
Eisenpulver (F, R 11), Salzsäure 10% (Xi, R36/37/38, S 1/2 -26-45), stark verd. Methylenblau-Lösung
Versuchsdurchführung: (nach C.C. Buchner, Stoff, Formel, Umwelt, Chemie 1, 2006)
V1 Gib in ein Rggl. eine Spatelspitze Eisenpulver und ca. 3 ml Salzsäure. Leite das Gas mit
einem Röhrchen in Methylenblau-Lösung ein.
V2 Gib in ein Rggl. eine Spatelspitze Eisenpulver und ca. 3 ml Salzsäure. Füge, sobald die
Reaktion einsetzt, ca. 1,5 ml Methylenblau-Lösung hinzu.
V3 Vereinige in einem Rggl. ca. 3 ml Salzsäure mit ca. 1,5 ml Methylenblau-Lösung.
Entsorgung: Die Lösungen werden in einem Becherglas gesammelt, die Reagenzgläser mit Wasser
gespült.
Aufgaben:
1. Skizziere jeweils den Aufbau, führe die Versuche durch und notiere deine Beobachtungen:
V1:
V2:
V3:
2. Bei der Reaktion von Salzsäure mit Eisen entsteht das Gas Wasserstoff. Welche Beobachtungen
deuten darauf hin und wie kann man dieses Produkt eindeutig nachweisen? Beschreibe eine
entsprechende Versuchsdurchführung.
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3. Der Farbstoff Methylenblau MB (MB ist eine Abkürzung) wird entfärbt, wenn jedes MethylenblauMolekül mit zwei Wasserstoff-Atomen reagiert und sich in Leuko-Methylenblau MBH2 umwandelt.
Nutze diese Informationen um die Versuchsbeobachtungen zu erklären.
V1:
V2:
V3:
4. Welche Schlussfolgerungen kannst du aufgrund der Versuche über die Existenz und über die
Reaktivität von Wasserstoff-Atomen im Vergleich zu Wasserstoff-Molekülen ziehen?
5. In der Abbildung sind die relativen Energien von Wasserstoff-Atomen und
E
Wasserstoff-Atome
Wasserstoff-Molekülen dargestellt. Erläutere das Diagramm und erkläre
damit die Reaktion von Wasserstoff mit Methylenblau.
Wasserstoff-Moleküle
6. Die Energie, die bei der Reaktion von Wasserstoff-Atomen zu Wasserstoff-Molekülen entsteht, kann
man nutzen. Durch geschickte Versuchsbedingungen können sehr hohe Temperaturen erzeugt
werden, die man zum Schweißen dünner Metallbleche nutzen kann. Irving Langmuir entwickelte
hierzu die sog. Langmuir-Fackel, Erkundige dich und stelle in einem kurzen Zeitungsartikel die
Langmuir-Fackel einer großen Leserschaft vor.
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3. Wasserstoff II –
vom Atom zum Molekül
Bei Raumtemperatur sind im Wasserstoff-Gas nur Wasserstoff-Moleküle H2 vorhanden.
Wie kann man sich im Atom-Modell die Bildung von Wasserstoff-Molekülen aus
Wasserstoff-Atomen vorstellen? Hast du eine Idee? Notiere /skizziere:
Modell-Versuch:
Aus zwei Wasserstoff-Atomen entsteht ein Wasserstoff-Molekül
Versuchsaufbau:
Geräte
2 Overhead-Projektoren, 2 DIN A3-Bögen mit größerem Loch, 2 Papier-Modelle
in Form eines Kreuzes, 2 Papier-Modelle in Form einer Ellipse
Versuchsdurchführung:
1. Erzeuge mit Hilfe der DIN A3-Bögen auf den zwei Overhead-Projektoren zwei getrennte, etwa
gleich große Lichtkegel an der Wand.
2.
Platziere die kleinen Papier-Modelle so auf den Overhead-Projektoren, dass jeweils die Kreuzform
in der Mitte des Lochs, die Ellipse im Umkreis liegen.
3.
Erkläre, was im Licht- und Schattenspiel an der Wand den Atomkern, die Elektronenhülle und das
Elektron eines Wasserstoff-Atoms symbolisiert.
4.
Bewege die Overhead-Projektoren so, dass sich die beiden Lichtkegel langsam einander nähern.
Überlegt gemeinsam, wie sich jeweils die Elektronen verhalten und wo sie sich aufhalten könnten.
Die Lage der beiden Atomkerne, also die Lage der beiden Protonen, soll dabei unverändert in der
Mitte bleiben.
5.
Wähle den günstigsten Abstand.
Aufgaben:
1. Führt den Modell-Versuch gemeinsam durch. Ergänze die folgenden Skizzen und notiere eure
Überlegungen zum Aufenthaltsort der Elektronen.
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Skizze
Aufenthaltsort der Elektronen,
Begründung
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2. Gib eine begründete Vermutung zum günstigsten Abstand zweier Wasserstoff-Atome im WasserstoffMolekül.
3. Schneide die Beschreibungen (s.u.) aus, klebe sie im folgenden Raster in eine sinnvolle Reihenfolge
und skizziere jeweils die Lage der Wasserstoff-Atome mit ihrem Proton und Elektron.
Aus zwei Wasserstoff-Atomen entsteht ein Wasserstoff-Molekül
Beschreibung
Skizze
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4. Welche Informationen enthalten die verschiedenen Formel-Schreibweisen für das WasserstoffMolekül?
Molekülformel
H2
Elektronenpunktformel H:H
Valenzstrichformel H−H
5. Beurteile die Anwendbarkeit des Modells der zwei OHP-Lichtkegel. Wo liegen Vor- und Nachteile?
Zu Aufgabe 3:
Die Atome sind näher beieinander. Die
Elektronen werden von beiden Protonen
angezogen.
Die Anziehung der Elektronen durch beide
Protonen und die Abstoßung beider Protonen
bilden einen Gleichgewichtszustand.
Die Atome nähern sich. Ein Elektron wird
etwas vom Proton des anderen Atomkerns
angezogen.
Die Wasserstoff-Atome haben einen großen
Abstand zueinander. Die Elektronen halten
sich in der Atom-Hülle auf.
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4. Stickstoff –
Hauptbestandteil der Luft
Die Luft enthält zu 78% Stickstoff. Menschen und Tiere atmen ihn ein und wieder aus, ohne dass
Stickstoff eine Reaktion auslöst. Nur wenige Bakterien können Stickstoff umsetzen. Um den
Stickstoff aus der Luft z.B. mit Wasserstoff zu einer Reaktion zu bringen, benötigt man sehr hohe
Temperaturen und einen hohen Druck, also sehr viel Energie. Warum ist Stickstoff so
reaktionsträge?
Information:
Elektronenpaarbindung
Ein Wasserstoff-Atom besitzt ein Elektron. Im Wasserstoff-Molekül hat jedes
Wasserstoff-Atom
zwei
Elektronen
Wasserstoff-Atom
hat
damit
im
in
seiner
Elektronenhülle.
Wasserstoff-Molekül
die
Jedes
gleiche
Elektronenanzahl und –anordnung wie ein Helium-Atom.
Ein Chlor-Atom besitzt sieben Elektronen auf der Außenschale. Im ChlorMolekül gehören zwei Elektronen beiden Atomen an. So erhält jedes ChlorAtom acht Elektronen auf der äußeren Schale und hat damit die gleiche
Elektronenanzahl und -anordnung wie ein Argon-Atom.
Ein Sauerstoff-Atom besitzt sechs Elektronen auf der Außenschale. Im
Sauerstoff-Molekül gehören vier Elektronen beiden Atomen an, so dass jedes
Sauerstoff-Atom acht Elektronen auf der äußeren Schale hat. Damit hat im
Sauerstoff-Molekül jedes Sauerstoff-Atom die gleiche Elektronenanzahl und –
anordnung wie ein Neon-Atom.
Merksatz: Wenn Atome zu Molekülen reagieren, erreichen sie dieselbe Elektronenanzahl und anordnung wie ein Edelgas-Atom (Edelgaskonfiguration). Diesen Satz nennt man auch
Edelgasregel.
Die Elektronenpaare, die zu beiden Atomen gehören, nennt man gemeinsame oder bindende
Elektronenpaare. Wasserstoff- und Chlor-Moleküle besitzen ein gemeinsames Elektronenpaar, dies
nennt man eine Einfachbindung. Sauerstoff-Moleküle besitzen eine Doppelbindung, weil sie zwei
gemeinsame Elektronenpaare haben. Es gibt auch Dreifachbindungen zwischen Atomen.
Elektronenpaare, die nur einem der beiden Atome angehören nennt man freie oder nichtbindende
Elektronenpaare.
Elektronenpaare kann man zur Vereinfachung auch durch einen Strich darstellen. Wenn dieser Strich
zwischen den Atomsymbolen steht, kennzeichnet er das bindende Elektronenpaar.
Valenzstrichformel / Strukturformel:
H−H
O=O
Wasserstoff
Sauerstoff
Cl − Cl
Chlor
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Aufgaben:
1. Die Atome erreichen im Molekül die Elektronenkonfiguration eines Edelgases. Nenne jeweils das
Edelgas, dessen Elektronenkonfiguration die Wasserstoff-Atome, die Chlor-Atome und die SauerstoffAtome erreichen:
2. Wieso besteht im Chlor-Molekül eine Einfach-Bindung zwischen den Atomen, im Sauerstoff-Molekül
hingegen eine Doppel-Bindung?
3. Was
symbolisieren
die
Buchstaben
H,
Cl
und
O
in
den
Stickstoff-Molekül
(N2)
vorstellen?
Zeichnungen
und
in
der
Valenzstrichformel/Strukturformel?
4. Wie
kann
man
sich
das
Zeichne
die
entsprechende
Valenzstrichformel / Strukturformel und überprüfe ggfs. in deinem Chemie-Buch.
5. Erstelle mit dem Molekülbaukasten jeweils ein Wasserstoff-Molekül, ein Chlor-Molekül, ein SauerstoffMolekül und ein Stickstoff-Molekül. Beachte dabei nur die Elektronenpaare, die an der Bindung
beteiligt sind. Zeichne eure Modelle:
Wasserstoff
Sauerstoff
Chlor
Stickstoff
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6. Erhitzt man die Gase sehr stark, zerfällt ein Teil der Moleküle in ihre Atome. Bei 777°C sind 1% der
Chlor-Moleküle in Atome zerfallen. Aber 1% der Stickstoff-Moleküle sind erst bei 2677°C in Atome
zerfallen. Wie kann man das erklären?
7. Warum ist Stickstoff ein reaktionsträger Stoff?
8. Zusatzaufgabe: Kohlenstoffdioxid ( CO2 ) ist auch in der Luft enthalten. Welchen prozentualen Anteil
vermutest du? Wie könnte die Strukturformel eines Kohlenstoffdioxid-Moleküls aussehen?
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5. Kohlenstoff –
in seiner schönsten Form
Reiner Kohlenstoff kann in verschiedenen Formen (Modifikationen) vorkommen, eine sehr
kostbare ist Diamant. Diamant ist auch das härteste Mineral. Warum ist es so stabil?
Wieso ist man erstaunt, dass Diamant aus Kohlenstoff besteht?
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Versuchsplanung:
Bestehen Diamanten wirklich nur aus Kohlenstoff?
Versuchsaufbau:
Geräte und Chemikalien Diamanten,
Aufgaben:
1. Plane einen Versuch, mit dessen Hilfe du zeigen kannst, dass Diamanten nur aus Kohlenstoff
bestehen. Skizziere den Versuchsaufbau im Kasten und begründe deinen Vorschlag.
2. Recherchiere und vergleiche Deinen Vorschlag mit dem Vorgehen von Antoine Laurent Lavoisier im
18. Jahrhundert. Notiere Gemeinsamkeiten und Unterschiede.
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3. Wie sind die Kohlenstoff-Atome im Diamant miteinander verbunden? Zeichne die Valenzstrichformel /
Strukturformel. Erkläre, warum jedes Kohlenstoff-Atom mit jeweils vier weiteren Kohlenstoff-Atomen
verbunden ist.
4. Erstelle mit Hilfe des Molekülbaukastens ein dreidimensionales Modell von Diamant. Überlege dir
Gründe, warum die vier Kohlenstoff-Atome immer in Form eines Tetraeders um das zentrale
Kohlenstoff-Atom angeordnet sind. Notiere die Gründe.
5. Ergänze:
Ein Diamant besteht ausschließlich aus ______________-Atomen. Jedes Kohlenstoff-_____________ ist
dabei von ____
anderen Kohlenstoff-_____________ umgeben. Da jedes Kohlenstoff-Atom _____
Elektronen auf der ____________ Schale hat, können von jedem Atom ____ gleiche Einfachbindungen
ausgehen. Um zwischen den Elektronenpaaren der Bindung einen größtmöglichen Abstand zueinander
zu haben, sind diese _________bindungen jeweils tetraedrisch angeordnet. Daraus ergibt sich ein sehr
___________ Gitter. Die Bindungswinkel betragen ________. Die Härte des __________________
beruht darauf, dass alle Außenelektronen eines Kohlenstoff-Atoms durch Elektronenpaarbindungen /
Atombindungen miteinander verbunden sind.
6. Ein Werbeslogan sagt „Ein Diamant ist unvergänglich“. Was meinst Du hinsichtlich der fachlichen
Richtigkeit?
7. Diamanten können künstlich hergestellt werden. Informiere dich und erkläre das Verfahren.
8. Zusatzaufgabe: Informiere dich über weitere Kohlenstoff-Modifikationen: a) Graphit, b) Fullerene.
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6. Metalle –
elektrische Leitfähigkeit
Stromkabel bestehen aus Metallen. Warum? Wie funktioniert die Stromleitung?
Versuch:
Die elektr. Leitfähigkeit verschiedener Materialien
Geräte und Chemikalien:
Batterien, Stromkabel, Klemmen, Glühlampe, Motor, Messgerät, Schutzbrille
Kupfer-Blech, Magnesium-Band (F, R:11-15, S: 2-7/8-43), Kunststoffprobe
Versuchsplanung:
Überlege eine Apparatur zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit verschiedener
Materialien. Skizziere!
Versuchsdurchführung:
Bau deine Apparatur zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit verschiedener Stoffe auf und
untersuche die vorliegenden Stoffe auf ihre Leitfähigkeit.
Entsorgung: Räume alles wieder in den Korb zurück.
Aufgaben:
1. Plane den Versuch mit einer Skizze im Kasten, führe ihn durch und notiere deine Beobachtungen.
2. Wenn Strom fließt, bewegen sich Elektronen. Zeichne in deiner Versuchs-Skizze einen Weg der
Elektronen und beschreibe ihn.
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3. Wie könnte man den Stromfluss z. B. im Magnesium-Band erklären? Was vermutest du?
4. Erkundige dich nach dem Modell der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen in deinem Chemie-Buch
und im Internet unter www.ltam.lu/chimie/Metallbindung.html und www.chemie-interaktiv.net „Die
Metallbindung“.
Erkläre die Stromleitung im Magnesium-Band! Zeichne eine ausführliche Modell-Vorstellung mithilfe
deiner Informationen. Erkläre, warum im Magnesium Magnesium-Atome jeweils zwei Elektronen
abgeben und zu positiv geladenen „Atomrümpfen“ werden.
5. Beurteile die Informationen zur elektrischen Leitfähigkeit kritisch.
6. Warum bestehen Stromkabel aus Metallen wie z.B. Kupfer? Wie funktioniert das?
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7. Zusammenfassung –
was ich gelernt habe
I. Bist du fit? Schätze dich ein:
kann ich
gut
kann ich
teilweise
ich bin
unsicher
ich habe
Probleme
a) Ich kann chemische Bindungen in einigen
Elementen zwischen den Atomen (Metallbindung,
Elektronenpaarbindung) mithilfe geeigneter
Modelle erklären.
b) Ich kann den Zusammenhang zwischen
Stoffeigenschaften und Bindungsverhältnissen
bei chemischen Elementen erklären.
II. Bist du fit? Strukturiere dein neu erworbenes Wissen.
Strukturiere die Inhalte der einzelnen Stationen: Schneide dazu untenstehende Begriffe aus und
ordne sie sinnvoll in einem Begriffsnetz auf ein DINA3 Blatt an. Ergänze gegebenenfalls
offensichtliche Lücken und beschrifte die Verbindungslinien sinnvoll. (Begriffe können mehrfach
verwendet werden)
Chem. Element
PSE
Nichtmetall
Metall
Edelgas
Stoff-TeilchenBeziehung
StrukturEigenschaftsBeziehung
Struktur der
Materie
gasförmig
fest
Energie
Atom
Molekül
bindendes
Elektronen-paar
nichtbindendes
Elektronenpaar
Einfachbindung
Doppelbindung
Dreifachbindung
Tetraeder
AußenElektronen
Atomrümpfe
Elektronenkonfiguration
reaktionsträge
hart
elektr.
Leitfähigkeit
gemeinsames
Elektronenpaar
reaktiv
Elektronen
Protonen
Neutronen
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III. Prüfe:
1.
Beschreibe modellhaft den submikroskopischen Bau folgender Stoffe. Besprich anschließend mit
deinem Nachbarn/deiner Nachbarin.
a) Wasserstoff
b) Stickstoff
c) Kohlenstoff/Diamant
d) Magnesium
e) Fluor
f) Natrium
2. Erstelle eine Tabelle: Die chemischen Elemente gliedern sich in drei große Gruppen, den
Metallen, z.B. Aluminium, den Nichtmetallen, z. B. Brom, und den Edelgasen, z.B. Argon. Nenne
typische Eigenschaften der elementaren Stoffe und erkläre die Struktur und den
Zusammenhalt der Atome.
3. Erkläre (schriftlich):
a) Warum besteht Wasserstoff-Gas aus zweiatomigen Wasserstoff-Molekülen H2 ?
b) Wie kann man sich im Atom-Modell die Bildung von Wasserstoff-Molekülen aus WasserstoffAtomen vorstellen?
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c) Warum ist Stickstoff so reaktionsträge?
d) Diamant ist das härteste Mineral. Warum ist es so stabil?
e) Stromkabel bestehen aus Metallen. Warum? Wie funktioniert die Stromleitung?
4. Eine Anzeige für ein neues Deo, speziell für Männer, warb mit folgendem Slogan: „Action im
Blut, Silber im Deo. Antibakterielle Silbermoleküle: - keine Bakterien – kein Körpergeruch - 24h
Antitranspirant-Schutz“. Was meinst du hinsichtlich der fachlichen Richtigkeit?