1 Chemie des Wassers. 1.1 Eigenschaften des Wassers. Bindung und Struktur H + O + H H O H

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1 1 Chemie des Wassers 1.1 Eigenschaften des Wassers Bindung und Struktur Molekül mit der Summenformel H 2 O - kovalente Bindung (Atombindung) zwischen O- und H-Atomen - Modell der kovalenten Bindung Oktettregel - Folge der unterschiedlichen Elektronegativität von O und H polare Bindungen Wasser ist ein Dipol Verbindung zwischen zwei - aufgrund von Strukturbesonderheiten intermolekulare Wasserstoffbrücken H + O + H H O H H δ O δ δ + δ + H µ B µ B δ 1) µ M δ + 1) Moleküldipolmoment

2 Lewis-Modell der kovalenten Bindung - Atome von Nichtmetallen binden sich über gemeinsam angehörende, bindende Elektronenpaare aneinander kovalente Bindung - Molekülstrukturen werden als Valenzstrichformeln (Lewisformeln) gegezeichnet - An den Atomen verbleibende Elektronenpaare sind nichtbindende, freie oder einsame Elektronenpaare - Ziel ist stabile Edelgaskonfiguration Jedes Atom ist von 8 Elektronen umgeben Oktettregel - Wasserstoff strebt Heliumkonfiguration an Im Zeichen der 8 C + 4 H N O F + 3 H + 2 H + H H H H C H N H H H H O H H F

3 Verteilung der Elektronen Wohnheim d p s p s s

4 Elektronenkonfiguration und Bindigkeit 1) einiger Elemente der 2. Periode Atom 2) Elektronenkonfiguration Bindigkeit Beispiel (H-Verbindung) 1s 2s 2p Formel Elektronen 3) 6C C (2?) (CH 2?) (4?) 6C * C 4 CH 4 8 7N N 3 NH 3 8 8O O 2 H 2 O 8 9F F 1 HF 8 10Ne Ne 0 1) Anzahl der kovalenten Bindungen, die von einem Atom ausgehen (kovalente Wertigkeit) 2) Atomsymbol mit Ordnungszahl und Lewis-Schreibweise mit Valenzelektronen 3) Valenzelektronen im Bindungszustand

5 Elektronegativität EN Maß für die Fähigkeit des Atoms eines Elements, das bindende Elektronenpaar in einem Molekül an sich zu ziehen Polarität einer Bindung aus der Differenz der Elektronegativitäten EN zugänglich H O H EN = 1,4; Bindungsdipolmomente ergeben Moleküldipolmoment H 2,1 Periodensystem der Elemente EN-Werte Bindung Li Be B C N O F 0 kovalent 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0,1 bis 0,5 schwach polar Na Mg Al Si P S Cl 0,6 bis 1,0 mittel polar 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0 1,1 bis 1,6 stark polar K Ca Ga Ge As Se Br 1,7 50 % Ionench. 0,8 1,0 1,6 1,8 2,0 2,4 2,8 > 1,7 überw. ionisch

6 Ionenbindung Bindung zwischen Metallen und Nichtmetallen, EN > 1,7 stabile Edelgaskonfiguration durch Elektronenübergang (Oktettregel erfüllt) elektrostatische Anziehung der Kationen und Anionen Im Zeichen der 8 Na + O + Na Na + + O 2- + Na + [Ne] [Ne] [Ne] jeweils 8 Valenzelektronen

7 Anziehungskräfte zwischen geladenen Teilchen Ionenbindung + + Ion-Dipol-Kräfte + δ δ + + δ δ + Dipol-Dipol-Kräfte δ δ + δ δ + δ δ + δ δ +

8 Hydratation eines Ions durch das Lösungsmittel Wasser s. 1.2 δ + δ δ + δ + δ + δ δ δ δ δ δ + δ Kation- bzw. Anion-Dipol-Kräfte

9 Wasserstoffbrücken - besondere Dipol-Dipol-Kraft - Wasserstoffatome sind an kleine, stark elektronegative Atome gebunden F, O und N - Wechselwirkungen zwischen partiell positiv geladenen Wasserstoffatomen und dem freien Elektronenpaar am F, O oder N-Atom des Nachbarmoleküls Wasserstoffbrücke - Bindungsstärke deutlich geringer als die einer kovalenten Bindung nur etwa 1/20 der Bindungsstärke H δ+ O δ - δ - O H O H H O H H H O H H O H H H H δ + δ + δ + δ - H δ - O

10 Anomalien des Wassers aufgrund von Wasserstoffbrücken Wasser nimmt aufgrund einer Reihe anomaler Eigenschaften eine Sonderstellung ein. Es besitzt ungewöhnlich hohe Werte für den Schmelz- und Siedepunkt die Verdampfungswärme die spezifische Wärmekapazität die Dichte die Oberflächenspannung die Viskosität

11 Aggregatzustände von Stoffen Feststoff Flüssigkeit Gas + Energie + Energie - Energie - Energie Bewegung der Teilchen Kräfte zwischen den Teilchen

12 Aggregatzustände des Wassers Wasserdampf Resublimieren Kondensieren Sublimieren Verdampfen Erstarren Schmelzen Eis Wasser

13 Wichtige physikalische Begriffe Gefrierpunkt: Temperatur, bei der Wasser (Flüssigkeit) und Eis (Festkörper) beim Normdruck von 101,3 kpa miteinander im Gleichgewicht sind. Schmelz- Wärmemenge, die beim Schmelzen von 1 mol Eis beim wärme / Schmelzpunkt von 0 C zugeführt werden muss bzw. Wärme- Erstarrungs- menge, die beim Gefrieren von 1 mol Wasser frei wird. wärme H 2 O(s) H 2 O(l) H S = + 6,02 kj/mol H E = - 6,02 kj/mol

14 Verdampfung: Es entweichen energiereiche Moleküle aus der Flüssigkeit, so dass eine Abnahme der mittleren kinetischen Energie der verbliebenen Moleküle erfolgt (Temperaturabnahme!). Energie bzw. Geschwindigkeit der H 2 O-Moleküle Anteil der Moleküle tiefe Temperatur hohe Temperatur Verdampfung Geschwindigkeit

15 Dampfdruck: Druck des Dampfes, der bei gegebener Temperatur mit der Flüssigkeit im Gleichgewicht steht. Maß für die Flüchtigkeit einer Substanz nur von Art des Stoffes und Temperatur abhängig erhöht sich mit steigender Temperatur Siedepunkt: Temperatur, bei welcher der Dampfdruck der Flüssigkeit gleich groß dem äußeren Atmosphärendruck ist. Verdampfungs- Wärmemenge, die bei gegebener Verdampfungstemperatur wärme / (hier 100 C) zugeführt werden muss, um 1 mol Wasser zu / Kondensations- verdampfen bzw. Wärmemenge, die bei der Kondensation von wärme 1 mol Wasserdampf frei wird. H 2 O(l) H 2 O(g) H V = + 40,7 kj/mol H K = - 40,7 kj/mol

16 Schmelz- und Siedepunkte der Wasserstoffverbindungen der VI. Hauptgruppe H 2 O Temperatur ( C) Siedepunkte H 2 S H 2 Se H 2 Te Schmelzpunkte Molare Masse (g/mol)

17 Wie viel Kondensationswärme wird frei, wenn 1 L Wasser durch Kondensation aus Wasserdampf bei 25 C gebildet wird ( H K = - 44 kj/mol)?

18 221 Druck / bar 1,013 0,006 Phasendiagramm des Wassers (Skizze nicht maßstabsgerecht) Eis - 273,15 0 0, Sublimationskurve Schmelzkurve Smp Tp Siedepunktskurve Wasser Sdp Wasserdampf krp Temperatur / C Druck-Temperatur-Zustandsdiagramm Bedingungen, bei denen Wasser fest, flüssig oder gasförmig ist Aggregatzustände werden durch Phasengrenzlinien begrenzt Tripelpunkt (Tp) Eis, Wasser und Wasserdampf liegen im Gleichgegewicht vor Kritischer Punkt (krp) Gas und Flüssigkeit besitzen die gleiche Dichte und sind nicht mehr unterscheidbar

19 Phasendiagramm des Wassers (Skizze nicht maßstabsgerecht) Siedepunktskurve Wasser andere Stoffe 221 Druck / bar 1,013 0,006 Eis Schmelzkurve Smp Tp Wasser Sdp Wasserdampf krp Smp - 273,15 0 0, Sublimationskurve Temperatur / C

20 Anordnung der Wassermoleküle im weitmaschigen Gitter eines Eiskristalls Tetraedrische Umgebung des Sauerstoffs Hexagonale Struktur! Die hohlräumige Struktur von Eis ist auf Wasserstoffbrücken zurückzuführen!

21 Temperaturabhängigkeit der Dichte von Eis und Wasser Dichte / g/cm 3 ρ = 1,000 g/cm 3 Wasser dehnt sich beim Gefrieren um ca. 9 % gegenüber dem Ausgangsvolumen aus. Wasser hat bei 4 C seine größte Dichte. ρ = 0,917 g/cm 3 0 C 4 C Temperatur / C

22 Vorgänge beim Schmelzen und Gefrieren V = 1/11 9 Vol.-%! Eis 1 mol = 19,63 cm 3 Wasser 1 mol = 18,00 cm 3 0 C - Beim Schmelzen bleiben im Wasser geordnete Bereiche erhalten ( Cluster aus 2 bis 1000 Wassermolekülen). - Mit steigender Temperatur nimmt die Ordnung ab und die Raumerfüllung wird bis 4 C höher. - Danach erfolgt die Abnahme der Dichte durch Wärmebewegung.

23 Künstliche Luftporen im Beton Übliche Größenverteilung µm Verminderung der kapillaren Saugfähigkeit Schutz vor Frost- und Frost-Tausalz-Schäden Wenige große Luftporen großer Eisdruck Viele kleine Luftporen geringer Eisdruck

24 Ursache der Oberflächenspannung Zwischenmolekulare Kräfte im Inneren der Flüssigkeit kompensieren sich Oberfläche des Wassers Phasengrenzfläche zur Luft flächenhafter Defekt vernachlässig bare Wechselwirkung mit Luftmolekülen resultierende Kraft ins Innere der Flüssigkeit gerichtet größerer Molekülabstand und geringere Dichte im Oberflächenbereich, stärkere zwischenmolekulare Kräfte in der Fläche Oberfläche zeigt Verhalten einer gespannten, elastischen Membran Verringerung der Oberfläche führt zu Energiegewinn kleinstmögliche Oberfläche wird angestrebt Kugel Luft Grenzfläche Wasser Kräfte heben sich im Innern auf Starke Kräfte innerhalb der Flüssigkeit

25 Definition Oberflächenspannung Verhältnis aus der zur Vergrößerung der Oberfläche notwendigen Arbeit (in J bzw. N m) und der Flächenzunahme. Die Kraft, gegen welche die Arbeit verrichtet wird, besteht aufgrund der Kohäsion zwischen den Flüssigkeitskeitsmolekülen. σ = W A W = Arbeit (J bzw. N m) A = Fläche (m 2 ) σ = Oberflächenspannung (N m -1 bzw. mn m -1 ) Oberflächenspannung ausgewählter Flüssigkeiten (20 C) Substanz Symbol bzw. Formel Oberflächenspannung σ / mn m -1 Quecksilber Hg 476 Wasser H 2 O 72,6 Ethanol C 2 H 5 OH 22,5 n-hexan n-c 6 H 14 18,4

26 Kohäsion und Adhäsion Kräfte zwischen Stoffen Kohäsionskräfte Kräfte zwischen Teilchen eines Stoffes Adhäsionskräfte Kräfte zwischen Teilchen verschiedener Stoffe Feststoff Flüssigkeit Intermolekulare Kräfte Wasserstoffbrücken Dipol-Dipol-Kräfte Dispersionskräfte

27 Beispiele Glasscheibe Wasser Kohäsionskräfte zwischen Wassermolekülen (H-Brücken) in der Schwerelosigkeit Glasscheibe Wasserfilm zwischen zwei Glasscheiben

28 Benetzung Die Benetzung einer festen Oberfläche durch eine Flüssigkeit hängt von der Stärke der sich ausbildenden Adhäsionskräfte ab. Feststoffe mit hoher Oberflächenenergie werden durch Flüssigkeiten mit geringerer Oberflächenenergie bzw. Oberflächenspannung benetzt. Kontakt- oder Randwinkel α als Maß für die Benetzbarkeit einer Oberfläche α klein α groß hydrophil Wasser auf polaren Stoffen (anorganische Baustoffe): starke Adhäsionskräfte intensive Benetzung hydrophob Wasser auf unpolaren Stoffen (Kunststoffe): Adhäsionskräfte im Vergleich zu Kohäsionskräften klein geringe Benetzung

29 Benetzung und Schutz von Oberflächen Medium Oberfläche oleophob Öl, Schmutz Oberfläche hydrophob Wasser Oberfläche Funktionelle Fluorverbindungen Teflon Silicon Paraffin Organische Beschichtungen Anorg.B Metalle Struktur -CF 3 -CF 2 - -CH 3 -CH 3 -CH 2, -CH 3 -C O-, -C N-, C H H O H Me O- Oberflächenenergie mn/m Randwinkel

30 Benetzbarkeit und chemische Modifizierung von Oberflächen α H 2 O α H 2 O α < 90 : Oberfläche hydrophil, α > 90 : Oberfläche hydrophob, gute Benetzung schlechte Benetzung - Metalle - Wachse - Keramik - Silicone - Glas - Teflon

31 hydrophobes Molekülende H 2 O Benetzbare Oberfläche hydrophiles Molekülende Hydrophobierung von Oberflächen (wasserabweisende Ausrüstung) durch Polysiloxane vergl. 1.2

32 Kapillarität Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillaren (enge Röhren oder Hohlräumen) Wasser Adhäsionskräfte > Kohäsionskräfte Kapillaraszension gute Benetzung Quecksilber Kohäsionskräfte > Adhäsionskräfte Kapillardepression keine Benetzung

33 Feuchtigkeitstransport in kapillarporösen Baustoffen (10 nm < r < 100 µm) H max ~ r 1 Erdreich Fußboden Erdreich Fußboden Fundament Erdreich Fundament Wasser Erdreich H max = maximale Steighöhe in m r = Kapillarradius in m