IV Chemische Bindungen 3. Die räumliche Struktur von Molekülen (Kl. 9/10) 1 von 26 Die räumliche Struktur von Molekülen ein Kugellager Ein Beitrag von Ingo Eilks, Silvija Markic und Stephan Kienast Mit Illustrationen von Wolfgang Zettlmeier, Barbing K enntnisse der Strukturen kovalenter Verbindungen sind wichtig für ein Verständnis bedeutender Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in der Chemie. Mittels Kugellager und Lerntheke lernen Ihre Schüler anhand der vier Beispiele Methan, Diamant/Grafit, Silicate und Wasser das Prinzip der räumlichen Anordnung von Molekülen und Molekülgittern kennen. Gleichzeitig erfahren sie Interessantes zu Bedeutung und Verwendung dieser wichtigen Stoffe. Die Arbeit mit dem Molekülbaukasten macht Spaß und fördert das Verständnis für die Struktur von Molekülen. Das Wichtigste auf einen Blick Foto: Thinkstock/Purestock Klasse: 9/10 Dauer: 6 8 Stunden (Minimalplan: 4) Kompetenzen: Die Schüler beschreiben die räumliche Struktur ausgewählter Moleküle und Molekülgitter. bestimmen die Ladungsverteilung in einem Dipolmolekül. arbeiten kooperativ im Team zusammen. Versuche: Schattenprojektion Methan (SV) Strukturmodell der Silicate (SV) Das eigentümliche Verhalten des Wasserstrahls (SV) Übungsmaterial: Die räumliche Struktur von Molekülen Jetzt weiß ich s! Die räumliche Struktur von Molekülen (auf zwei Niveaus)
IV Chemische Bindungen 3. Die räumliche Struktur von Molekülen (Kl. 9/10) 5 von 26 Die Einheit im Überblick AB = Arbeitsblatt TK = Tippkarte LEK = Lernerfolgskontrolle = Zusatzmaterial auf CD SV = Schülerversuch Stunden 1 5: M 1 (AB/SV) M 2 (AB) M 3 (AB) M 4 (AB) M 5 (Bild) M 6 (AB) M 7 (AB/SV/TK) M 8 (AB) M 9 (AB) Die Strukturen ausgewählter Moleküle/Molekülgitter Expertengruppe A Die Struktur des Methanmoleküls schwarze und weiße Knetkugeln 1 Packung Zahnstocher evtl. 1 Molekülbaukasten* 1 Taschenlampe* 1 weißes Blatt Papier* A 1 Van t Hoff und die Struktur des Methanmoleküls Expertengruppe B Die Strukturen von Diamant und Grafit schwarze und weiße Knetkugeln 1 Packung Zahnstocher B 1 Diamant und Grafit ein ungleiches Paar B 3 Struktur von Diamant und Grafit B 2 Die Röntgenstrukturanalyse Expertengruppe C Die Struktur der Silicate rote und weiße Knetkugeln 1 Packung Zahnstocher 4 Luftballons* C 1 Die Silicate und ihre Verwendung Die räumliche Struktur von Molekülen 1 Molekülbaukasten* evtl. 1 Molekülbaukasten* 1 Gummiband* 1 Folienstift (AB) Stunden 6 8: M 10 (AB/TK) M 11 (AB) M 12 (AB/SV) (AB) M 13/ (LEK) Zusatzaufgaben zu den Expertengruppen A C Struktur des Wassermoleküls/Lernerfolgskontrolle Station 1: Wassermoleküle ordnen sich tetraedrisch an! Station 2: Wassermoleküle sind Dipole! 1 Molekülbaukasten* Station 3: Wassermoleküle passen sich dem elektrischen Feld an! 1 Luftballon* evtl. 1 Bürette* 1 Becherglas* Zusatzstation Das Salz in der Suppe Jetzt weiß ich s! Die räumliche Struktur von Molekülen Wasser 1 Wolllappen oder 1 Wollpullover Minimalplan Sie können die Einheit auf vier Stunden verkürzen, indem Sie auf das Teilgebiet Silicate (M 7/M 8) verzichten, den Schülerversuch M 11 als Lehrerversuch durchführen und die Lernerfolgskontrolle M 13/ als Hausaufgabe einsetzen.
6 von 26 3. Die räumliche Struktur von Molekülen (Kl. 9/10) Chemische Bindungen IV Expertengruppe A M 1 Die Struktur des Methanmoleküls Hier werdet ihr Experten für das Methanmolekül. So könnt ihr später euren Klassenkameraden dessen Struktur erklären. Aufgabe 1: Wie könnte das Methanmolekül aussehen? Baut mithilfe der Knetkugeln und Zahnstocher mögliche Strukturen für das Methanmolekül (schwarze Kugeln stellen Kohlenstoffatome dar, weiße Kugeln Wasserstoffatome). Zeichnet die Strukturen in euer Heft. Tipp Das Methanmolekül ist aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen aufgebaut. Die Formel des Methans lautet also CH 4. Kohlenstoffatome gehen immer vier Bindungen ein, Wasserstoffatome dagegen immer nur eine Bindung. Aufgabe 2: Welche eurer möglichen Strukturen für Methan ist die richtige? a) Lest euch den Info-Text A 1 durch. b) Was versteht man unter dem Begriff Isomerie? Beschreibt in eigenen Worten. c) Wie sehen die beiden Moleküle (Isomere) aus, die aus der damals gebräuchlichen Struktur des Methanmoleküls entstehen würden, wenn man zwei der Wasserstoffatome gegen Chloratome austauschen würde? Macht euch eine Skizze der beiden Strukturen. Aufgabe 3: Die Tetraederstruktur Van t Hoff schlug eine andere Struktur für das Methanmolekül vor: die Tetraederstruktur. Baut ein Modell des Methanmoleküls in der Tetraederstruktur. Tipp In der Tetraederstruktur ist das Molekül so aufgebaut, dass das Kohlenstoffatom in der Mitte und die Wasserstoffatome in den Ecken des Tetraeders (dreieckige Pyramide) liegen. Aufgabe 4: Schattenprojektion Methan a) Führt den folgenden Versuch durch. So führt ihr den Versuch durch 1. Holt die folgenden Materialien an euren Platz. 1 Taschenlampe 1 Methanmolekülmodell 1 weißes Blatt Papier 2. Lehnt das Papier (als Schirm) an die Wand und versichert euch, dass es fest steht. Richtet die Taschenlampe auf das Blatt Papier. Dazwischen legt oder haltet ihr das von euch gebaute Molekülmodell. Platziert das Molekülmodell so, dass die Projektion scharf ist. 3. Zeichnet den Schatten des Gegenstands auf dem Schirm nach. So erhaltet ihr eine Projektion des räumlichen Gegenstands auf dem Papier. b) Was sind die Unterschiede zwischen der Schattenprojektion des Methanmoleküls und dem Molekül selbst? Notiert.
IV Chemische Bindungen 3. Die räumliche Struktur von Molekülen (Kl. 9/10) 9 von 26 B 1 Diamant und Grafit M 4 ein ungleiches Paar Diamant und Grafit bestehen beide aus Kohlenstoffatomen, unterscheiden sich aber extrem in ihren Eigenschaften. Hier lernt ihr die beiden Stoffe genauer kennen. Diamant hart und elegant Diamanten sind als Schmuckedelsteine sehr bekannt. Sie zeichnen sich durch ihren farblosen Glanz und ihre große Durchsichtigkeit aus. Verwendet werden sie aber auch als Schleifmittel, als Besatz für Bohrköpfe (auch beim Zahnarztbohrer) oder als Glasschneider. Hierbei macht man sich die große Härte des Diamanten zunutze. Diamant hat mit der Härte 10 (nach Mohs) die größte Härte aller natürlich vorkommenden Stoffe. Diamanten sind sehr schwer zu spalten, leiten den elektrischen Strom nicht (Isolatoren) und haben eine Dichte von 3,5 g/cm 3. Grafit weich und schmierig Grafit ist einer der Hauptbestandteile von Bleistiftminen. Er ist schwarz, undurchsichtig und glänzt ein wenig wie ein Metall. Das Schreiben mit dem Bleistift geschieht durch Abreiben des Grafits von der Bleistiftmine auf das Papier. Grafit ist demnach relativ weich und hat mit der Härte 1 (nach Mohs) eine nur sehr geringe Härte. Grafit ist sehr leicht spaltbar. Diese geringe Härte und die leichte Spaltbarkeit nutzt man, indem Grafit als Schmiermittel eingesetzt wird. Manchmal setzt man Grafit auch ein, um elektrische Verbindungen wieder herzustellen, denn Grafit leitet gut den elektrischen Strom (Leiter). Grafit hat eine Dichte von 2,3 g/cm 3. B 3 Struktur von Diamant und Grafit M 5 Fotos: Thinkstock/iStock Struktur von Diamant Struktur von Grafit
12 von 26 3. Die räumliche Struktur von Molekülen (Kl. 9/10) Chemische Bindungen IV C 1 Die Silicate und ihre Verwendung M 8 Die Erdkruste besteht zu über 90 % aus Verbindungen von Silicium und Sauerstoff, die Silicate genannt werden. Quarz ist die wichtigste Form von Silicaten. Man findet Quarz als Bergkristall in den Alpen. Bei der Verwitterung von Quarzgestein werden die sehr stabilen Quarzkristalle abgesprengt und wegtransportiert. Durch die Reibung werden sie dabei zerkleinert und schließlich als Sand abgelagert. Ton entsteht bei der Verwitterung von Silicaten. Es handelt sich um einen Werkstoff, aus dem seit jeher Gefäße, Ziegelsteine und vieles mehr gefertigt werden. Ton kann gut geformt werden und wandelt sich beim Erhitzen in ein hartes Material um. Farbloses Kaolin wird bei der Porzellanherstellung verwendet. Auch die beiden anderen Rohstoffe für die Porzellanherstellung, Quarzsand und Feldspat, sind Silicium-Verbindungen. Im Feldspat sind allerdings einige Siliciumatome durch Aluminiumatome ersetzt. Solche Silicate bezeichnet man als Alumosilicate. Glas ist ein vielseitig verwendbarer Werkstoff. Zu seiner Herstellung benötigt man Sand (Quarz), Soda und Kalk als Rohstoffe. Diese werden gemahlen, gemischt und zu einer zähflüssigen Masse verschmolzen. Zur Verarbeitung von Glas wird es als Schmelze aus dem Ofen genommen und durch Blasen, Ausziehen oder Gießen verformt. Aus reinem Silicium werden Computerchips hergestellt. Diese Computerchips sind die wichtigsten Bauteile unserer Computer, Smartphones und vieler anderer elektronischer Geräte. Daher wird Silicium auch Element der Elektronik genannt. Es spielt auch bei der Sonnenenergienutzung in Solarzellen eine wichtige Rolle. Fotos: www.colourbox.com Wusstest du schon, dass man durch Zusätze die Eigenschaft und Qualität des Glases stark beeinflussen kann? So erhält man je nach Art des Zusatzes Gläser mit bestimmten erwünschten Eigenschaften: Kristallglas enthält Bleioxid, Jenaer Glas (widerstandsfähig gegenüber Chemikalien) enthält Bor- und Aluminiumoxid. Auch die Färbung von Glas erfolgt durch solche Zusätze. Dies sind meistens Schwermetalloxide.
IV Chemische Bindungen 3. Die räumliche Struktur von Molekülen (Kl. 9/10) 13 von 26 Die räumliche Struktur von Molekülen M 9 In allen Expertengruppen spielte der Tetraeder eine wichtige Rolle. Hier erfahrt ihr, warum sich die Bindungen in Form eines Tetraeders anordnen. Aufgabe 1 Lies dir den folgenden Info-Text über die räumliche Gestalt von Molekülen durch. Das Elektronenpaarabstoßungsmodell Im Jahre 1963 entwickelten die amerikanischen Chemiker Gillespie und Nyholm das sogenannte Elektronenpaarabstoßungsmodell, das die räumliche Gestalt von Molekülen erklärt. Es beruht auf den folgenden Annahmen: Aufgabe 2 Im Mittelpunkt des Moleküls befindet sich das Atom, von dem die Elektronenpaarbindungen ausgehen. Es heißt Zentralatom. Die Elektronen der inneren Schalen bilden mit dem Atomkern einen Atomrumpf mit kugelsymmetrischer Ladungsverteilung. Die Elektronenpaare der Valenzschale stoßen sich aufgrund der gleichen (negativen) Ladung ab. Die Elektronenpaare ordnen sich im gleichen Abstand zum Kern, aber mit dem größtmöglichen Abstand untereinander an. Mehrfachbindungen wirken hinsichtlich der Abstoßung wie Einfachbindungen. Ergänze die folgende Tabelle. Baue die Moleküle mithilfe des Molekülbaukastens. CH 4 (Methan) Zahl der bindenden Elektronenpaare am Zentralatom Winkel zwischen den Elektronenpaaren räumliche Anordnung H 4 109,5 C H H H CO 2 C 2 H 2 (Ethin) H 2 CO (Methanal) CCl 4 Summenformel (Kohlenstoffdioxid) (Tetrachlormethan)