Wasser als Sonderfall: Übungen AFB II – Chemie Klasse 10

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Aufgabenblock — AFB II

Zehn Aufgaben aus dem ganzen Kapitel, bunt gemischt und mit Rückgriffen auf Kapitel 1 (Elektronegativität, Dipolmoleküle): erst die passende Teilchenvorstellung wählen, dann in mehreren Schritten rechnen und begründen — mit gestuften Tipps, wenn du nicht weiterkommst.

Gleiche Formel, anderer Siedepunkt

AFB II

Diethylether \((\mathrm{C_2H_5{-}O{-}C_2H_5})\) und Butan-1-ol \((\mathrm{C_4H_9{-}OH})\) haben beide die Summenformel \(\mathrm{C_4H_{10}O}\) und die molare Masse 74 g/mol. Diethylether siedet bei 34,6 °C, Butan-1-ol bei 117,7 °C.

a) Berechne den Unterschied der Siedetemperaturen. b) Gib an, wie viele Wasserstoffbrücken ein Butan-1-ol-Molekül höchstens gleichzeitig eingehen kann, und erkläre damit den Unterschied.

a) Δϑ = °C

b) Anzahl = Brücken

Ansatz: Gleiche Masse und Größe heißt ähnliche Van-der-Waals-Kräfte. Suche in beiden Molekülen ein H-Atom an einem O-Atom.

Rechenweg: \(117{,}7 - 34{,}6\); Butan-1-ol: 1 H-Atom an O + 2 freie Elektronenpaare am O-Atom.

Lösung: a) 83,1 °C b) 3 Brücken

Vollständige Lösung

a) \(\Delta\vartheta = 117{,}7\ \text{°C} - 34{,}6\ \text{°C} = 83{,}1\ \text{°C}\). b) Butan-1-ol hat eine O–H-Gruppe: ein stark \(\delta^+\)-H-Atom \((\Delta\mathrm{EN} = 1{,}24)\) und zwei freie Elektronenpaare am O-Atom — höchstens 3 Brücken. Im Diethylether hängen alle H-Atome an C-Atomen; seine Moleküle bilden untereinander keine Wasserstoffbrücken. Beim Sieden müssen bei Butan-1-ol zusätzlich die Brücken gelöst werden, deshalb siedet es viel höher. Hinweis: Beim Sieden bleiben die Moleküle selbst ganz.

Fluor im Molekül — und trotzdem keine Brücke

AFB II

Fluormethan \(\mathrm{CH_3F}\) (34 g/mol) siedet bei −78 °C, Methanol \(\mathrm{CH_3OH}\) (32 g/mol) bei 65 °C. Beide Moleküle sind Dipole.

a) Berechne \(\Delta\mathrm{EN}\) der C–F-Bindung (Pauling: C 2,55, F 3,98). b) Berechne den Unterschied der Siedetemperaturen und begründe, warum Fluormethan trotz des stark elektronegativen F-Atoms keine Wasserstoffbrücken bildet.

a) ΔEN =

b) Δϑ = °C

Ansatz: Eine Wasserstoffbrücke braucht ein H-Atom, das selbst an F, O oder N gebunden ist. Woran hängen die H-Atome im Fluormethan?

Rechenweg: \(3{,}98 - 2{,}55\); \(65 - (-78)\).

Lösung: a) ΔEN = 1,43 b) 143 °C

Vollständige Lösung

a) \(\Delta\mathrm{EN}(\mathrm{C{-}F}) = 3{,}98 - 2{,}55 = 1{,}43\) — eine stark polare Bindung, das Molekül ist ein Dipol. b) \(\Delta\vartheta = 65\ \text{°C} - (-78\ \text{°C}) = 143\ \text{°C}\). Im Fluormethan sind alle H-Atome an das C-Atom gebunden \((\Delta\mathrm{EN} = 0{,}35)\) und kaum \(\delta^+\). Das F-Atom hat zwar freie Elektronenpaare, aber es fehlt der Spender — zwischen den Molekülen wirken nur Dipol-Dipol- und Van-der-Waals-Kräfte. Methanol besitzt ein H-Atom am O-Atom und bildet Wasserstoffbrücken. Hinweis: Entscheidend ist, woran das H-Atom gebunden ist — nicht, ob irgendwo im Molekül F, O oder N vorkommt.

Die Spitze des Eisbergs

AFB II

Ein Eisberg \((\rho_\text{Eis} = 0{,}918\ \mathrm{g/cm^3})\) schwimmt im Meer \((\rho = 1{,}020\ \mathrm{g/cm^3})\). Ein schwimmender Körper taucht so weit ein, wie es das Verhältnis der Dichten vorgibt.

a) Ermittle, wie viel Prozent des Eisbergs unter der Wasseroberfläche liegen. b) Der Eisberg hat ein Volumen von 1000 m³. Wie viele Kubikmeter ragen aus dem Wasser?

a) Anteil ≈ %

b) V ≈ m³

Ansatz: Anteil unter Wasser \(= \rho_\text{Eis} : \rho_\text{Meerwasser}\). Der Rest ragt heraus.

Rechenweg: \(0{,}918 : 1{,}020 = 0{,}9\); \(1000 \cdot (1 - 0{,}9)\).

Lösung: a) 90 % b) 100 m³

Vollständige Lösung

a) \(\dfrac{0{,}918}{1{,}020} = 0{,}9\), also liegen 90 % unter Wasser. b) Über Wasser: \(1000\ \mathrm{m^3} \cdot (1 - 0{,}9) = 100\ \mathrm{m^3}\). Im Süßwasser wären es sogar rund 92 % unter Wasser, weil Süßwasser eine kleinere Dichte hat als Meerwasser. Hinweis: Dass Eis überhaupt schwimmt, ist die Anomalie: Das Brückengitter mit Hohlräumen macht Eis leichter als flüssiges Wasser.

Eisberg, Wasserlinie blau