Aufgabenblock — AFB III
Begründen statt nur abzählen: Behauptungen prüfen, Regeln widerlegen oder selbst formulieren, Modelle kritisch betrachten und zwischen Lösungsvorschlägen entscheiden — erst selbst aufschreiben, dann die Musterlösung aufklappen.
In einem Forum schreibt jemand: „Beim Verbrennen von Erdgas wird Energie frei, weil die Bindungen im Methan aufbrechen.“ Beurteile diese Aussage. Bindungsenergien: C–H 413 kJ/mol, O=O 498 kJ/mol, C=O (im \(\mathrm{CO_{2}}\)) 799 kJ/mol, O–H 463 kJ/mol.
Hinweis: Reaktionsgleichung \(\mathrm{CH_{4} + 2 O_{2} \longrightarrow CO_{2} + 2 H_{2}O}\). Stelle Spalten und Bilden getrennt auf.
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Musterlösung: Die Aussage ist falsch. Das Aufbrechen der C–H- und O=O-Bindungen kostet Energie: \(4\cdot 413 + 2\cdot 498 = 2648\) kJ pro Mol Methan. Frei wird Energie erst, wenn die neuen Bindungen im CO₂ und im Wasser entstehen: \(2\cdot 799 + 4\cdot 463 = 3450\) kJ. Weil beim Bilden rund 800 kJ mehr frei werden, als das Spalten kostet, liefert die Verbrennung insgesamt Energie. Richtig wäre: „Energie wird frei, weil in den Produkten stärkere Bindungen entstehen, als in den Ausgangsstoffen gespalten werden.“
Ein Schüler formuliert als Regel: „Jedes Molekül, das polare Bindungen enthält, ist ein Dipolmolekül.“ Widerlege diese Regel mit einem Gegenbeispiel, das du vollständig begründest.
Hinweis: Suche ein Molekül mit gleichen polaren Bindungen und ohne freies Elektronenpaar am Zentralatom.
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Musterlösung: Gegenbeispiel Bortribromid BBr₃: ΔEN(B–Br) = 2,96 − 2,04 = 0,92 — die drei Bindungen sind polar, jedes Br trägt δ−, das B-Atom δ+. Das B-Atom hat drei Bindungen und kein freies Paar, also drei Wolken: Das Molekül ist trigonal-planar mit 120°. Der Schwerpunkt der drei δ− liegt im Mittelpunkt des gleichseitigen Dreiecks — genau dort, wo das B-Atom mit δ+ sitzt. Beide Schwerpunkte fallen zusammen: BBr₃ ist kein Dipol. Die Regel ist damit widerlegt; richtig ist: Polare Bindungen sind nötig, aber nur ein unsymmetrischer Bau macht das Molekül zum Dipol. (Weitere Gegenbeispiele: CO₂, CF₄, C₂F₄.)
Salpetrige Säure \(\mathrm{HNO_{2}}\) ist nur in Lösung beständig. Die Atome sind in der Reihenfolge H–O–N–O verknüpft. Entwickle die Lewis-Formel und begründe jeden Schritt.
Hinweis: Nutze das Vorgehen in vier Schritten: Zählen, Gerüst, Verteilen, Prüfen. Klappe freie Paare um, wenn einem Atom etwas fehlt.
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Musterlösung: Zählen: H 1 + O 6 + N 5 + O 6 = 18 Valenzelektronen = 9 Striche. Gerüst: H–O–N–O mit 3 Einfachbindungen, 6 Striche bleiben. Verteilen: Das endständige O bekommt 3 freie Paare, das mittlere O 2, der letzte Strich kommt als freies Paar ans N. Nun hat das N-Atom nur 3 Striche (6 Elektronen). Umklappen: Ein freies Paar des endständigen O wird bindend: H–O–N=O mit 2 freien Paaren an jedem O und 1 freien Paar am N. Prüfen: 4 bindende + 5 freie = 9 Striche ✓; mittleres O: 2 Bindungen + 2 freie Paare = 8; N: 3 Bindungsstriche + 1 freies Paar = 8; endständiges O: 2 + 2 = 8; H: 2 ✓.