Räumlicher Bau von Molekülen - Luftballonmodelle

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1 Räumlicher Bau von Molekülen - Luftballonmodelle Jahrgangsstufen 11 / 12 Fach/Fächer Zeitrahmen Benötigtes Material Chemie 90 Minuten Luftballons, Ballonpumpe, Scheren, evtl. Haushaltsgummi oder Bindfaden Kompetenzerwartungen Diese Aufgabe unterstützt den Erwerb folgender Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler verwenden Modelle zur Veranschaulichung und Erklärung von Aufbau, Eigenschaften und Reaktionen von Stoffen sowie der Wechselwirkungen der Teilchen untereinander. Dabei beurteilen sie die Eignung verschiedener Modelle und erkennen deren Eigenschaften, Aussagekraft und Grenzen von Modellen. (FOS C11 1) erstellen auf Basis der Gesamtvalenzelektronenzahl unter Einhaltung der Edelgasregel n von anorganischen und organischen Molekülen bzw. Molekül-Ionen. (FOS C11 4 / BOS C12 4) leiten aus der unter Anwendung des Elekronenpaarabstoßungsmodells den en Bau ausgewählter Moleküle und Molekül-Ionen ab und visualisieren diesen in Form von Strukturformeln. (FOS C11 4 / BOS C12 4) verwenden Modelle zur Veranschaulichung von Bindungsverhältnissen, Wechselwirkungen und en Anordnungen in einfachen Molekülen, um die Reaktivität der jeweiligen Teilchen und die zugehörigen Stoffeigenschaften zu erklären. Dabei bewerten sie die Aussagekraft von Modellen. (BOS C12 1) Seite 1 von 6

2 Aufgabe Moleküle werden meist mit Hilfe von n dargestellt, wobei die Atome vereinfachend in 90 und 180 Winkeln angeordnet werden. Um den realen, teils dreidimensionalen Bau von Molekülen nachzuvollziehen, wird das Valenzelektronenpaarabstoßungsmodell verwendet. Mit diesem Modell wird die Anordnung von gebundenen Atomen (Liganden) um ein Zentralatom beschrieben. Je nachdem, wie viele Liganden und freie Elektronenpaare am Zentralatom gebunden sind, ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten für den en Bau eines Moleküls. Im Folgenden sollen mit Hilfe von Modellierballons sechs Grundtypen für den en Bau von Molekülen erarbeitet werden. Es wird empfohlen, die Tabelle für jedes Beispielmolekül von oben nach unten zu bearbeiten. Seite 2 von 6

3 Grundtypen für den en Bau von Molekülen Beispielmolekül HCN NO 3 - CH 4 Name Blausäure Nitrat-Ion Methan Bindungswinkel ,5 linear abgeleitete Typen für den en Bau von Molekülen Ersetzen bindender VEP durch freie VEP Beispielmolekül SO 2 NH 3 H 2 S Name Schwefeldioxid Ammoniak Schwefelwasserstoff Vergleich mit Grundtyp (s. o.) 1 bindendes VEP 2 bindende VEP ersetzt < 120 < 109,5 < 109,5 Bindungswinkel (freie VEP nehmen mehr Raum ein als bindende VEP) Übungsbeispiele: NO + 2, CO 2-3, SiCl 2, SNF 3, BrO - 3, HCN, NO - 3, SF 2, BF - 4, H 3 O + - ; mit 2 Zentren: H 3 C 2 F 3, C 2 F 4, HCO 3 Seite 3 von 6

4 Hinweise zum Unterricht und Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler Mit Hilfe des Valenzelektronenpaarabstoßungsmodells kann der e Bau von Molekülen auf einfache Weise dargestellt werden. Die Verwendung von Luftballon-Modellen der entsprechenden Moleküle hilft insbesondere Schülerinnen und Schülern, die Schwierigkeiten mit der Vorstellung dreidimensionaler Objekte im Raum haben. Die hier verwendeten Moleküle stellen lediglich einen Vorschlag dar. Die Lehrkraft kann, passend zum eigenen Unterricht, natürlich andere Moleküle verwenden. Voraussetzung: Zeichnen von n Valenzelektronenpaar-Abstoßungsmodell (Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR)-Model): Bindende und freie Valenzelektronenpaare (VEP) stellt man sich als voluminöse Elektronenwolken vor. Die Elektronenwolken stoßen sich aufgrund gleichnamiger Ladung ab und ordnen sich möglichst weit voneinander entfernt an. Mehrfachbindungen werden (hier!) wie Einfachbindungen behandelt. Ballonmodelle: länglicher blauer Ballon bindendes VEP runder weißer Ballon freies VEP freie VEP an äußeren Atomen werden nicht mit Ballons dargestellt Bsp. Wasserstoffmolekül: Ballonmodell Bsp. Nitrit-Molekülion: Ballonmodell (Bindungswinkel hier noch nicht korrekt dargestellt!) Der Bau der e kann durch Schüler(-Gruppen) oder durch die Lehrkraft erfolgen. Empfohlen werden Naturlatex-Modellierballons aus dem Fachhandel und eine oder mehrere Ballon-Pumpen. Die Modelle werden durch einfaches Verdrillen und Verknoten der Ballons hergestellt. Das lineare Ballonmodell wird durch mittiges Verdrillen eines langen Ballons erstellt; hier ist es evtl. hilfreich, die verdrillte Stelle zu fixieren (Haushaltsgummi oder Bindfaden). Seite 4 von 6

5 Grundtypen für den en Bau von Molekülen Beispielmolekül HCN NO 3 - CH 4 Name Blausäure Nitrat-Ion Methan linear trigonal planar tetraedrisch Bindungswinkel ,5 abgeleitete Typen für den en Bau von Molekülen Ersetzen bindender VEP durch freie VEP Beispielmolekül SO 2 NH 3 H 2 S Name Schwefeldioxid Ammoniak Schwefelwasserstoff Vergleich mit Grundtyp (s. o.) 1 bindendes VEP ersetzt durch 1 freies VEP 1 bindendes VEP ersetzt durch 1 freies VEP 2 bindende VEP ersetzt durch 2 freie VEP gewinkelt trigonal pyramidal gewinkelt < 120 < 109,5 < 109,5 Bindungswinkel (freie VEP nehmen mehr Raum ein als bindende VEP) Übungsbeispiele: NO + 2, CO 2-3, SiCl 2, SNF 3, BrO - 3, HCN, NO - 3, SF 2, BF - 4, H 3 O + - mit 2 Zentren: H 3 C 2 F 3, C 2 F 4, HCO 3 Seite 5 von 6

6 Anregung zum weiteren Lernen Weitere Möglichkeiten zur en Darstellung von Molekülen: Molekülbaukästen Computerprogramme zur Darstellung von Molekülen (hier z. B. gut sichtbar: spiraliger Bau der DNA ergibt sich durch den en Bau der Bestandteile) Seite 6 von 6