Aufgabenblock — AFB III
Begründen statt nur wiedergeben: Behauptungen prüfen und widerlegen, Versuche entwickeln, Regeln diskutieren und eigene Urteile formulieren — erst selbst aufschreiben, dann die Musterlösung aufklappen.
Tim behauptet: „Je mehr H-Atome ein Molekül hat, desto mehr Wasserstoffbrücken bildet es — und desto höher siedet der Stoff.“ Widerlege die Behauptung mit zwei Gegenbeispielen aus dem Kapitel.
Hinweis: Vergleiche Stoffe mit vielen H-Atomen an C mit Stoffen, deren wenige H-Atome an O sitzen.
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Musterlösung: Methan \(\mathrm{CH_4}\) hat vier H-Atome und siedet bei −161,5 °C, Wasser hat nur zwei und siedet bei 100 °C. Ethan \(\mathrm{C_2H_6}\) (6 H-Atome) siedet bei −89 °C, Methanol \(\mathrm{CH_3OH}\) (4 H-Atome) bei 65 °C. Die Behauptung ist also falsch. Eine Wasserstoffbrücke bildet nur ein H-Atom, das an F, O oder N gebunden ist, weil nur dann \(\Delta\mathrm{EN}\) groß genug ist (O–H: 1,24; C–H: 0,35). Außerdem braucht jede Brücke ein freies Elektronenpaar an F, O oder N als Partner. Korrigiert: „Je mehr H-Atome an F, O oder N und je mehr freie Elektronenpaare dort ein Molekül hat, desto mehr Brücken kann es bilden.“
In einem Schulbuch steht: „Beim Sieden von Wasser brechen die O–H-Bindungen auf.“ Beurteile diese Aussage mithilfe von Energiewerten: Zum Verdampfen von 1 mol Wasser braucht man etwa 41 kJ; eine O–H-Bindung zu spalten kostet etwa 460 kJ/mol.
Hinweis: Wie viele O–H-Bindungen hat ein Wassermolekül? Was müsste im Dampf zu finden sein, wenn die Aussage stimmte?
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Musterlösung: Die Aussage ist falsch. Würden beim Sieden die Atombindungen gespalten, bräuchte man für 1 mol Wasser etwa \(2 \cdot 460\ \text{kJ} = 920\ \text{kJ}\) — über zwanzigmal mehr als die tatsächlich nötigen 41 kJ. Außerdem entstünden Wasserstoff und Sauerstoff; kondensierter Wasserdampf ist aber wieder Wasser. Beim Sieden werden nur die Wasserstoffbrücken \(\mathrm{O{-}H\cdots O}\) zwischen den Molekülen gelöst (je etwa 20 kJ/mol). Richtig: „Beim Sieden werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Wassermolekülen gelöst; die Moleküle bleiben erhalten.“
Entwickle einen Versuch, mit dem man in einem hohen Glaszylinder zeigen kann, dass sich Wasser von 4 °C am Boden sammelt, wenn oben Eis schwimmt. Gib Material, Durchführung, Messgröße und erwartetes Ergebnis an.
Hinweis: Ein Thermometer allein genügt nicht — du brauchst Messungen an mehreren Stellen und über längere Zeit.
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Musterlösung: Material: hoher Glaszylinder, außen mit Schaumstoff isoliert, zwei Thermometer (eines knapp unter der Oberfläche, eines am Boden), Eiswürfel, Wasser von etwa 15 °C. Durchführung: Zylinder mit Wasser füllen, Eiswürfel oben aufschwimmen lassen, nicht rühren; 30 Minuten lang alle 2 Minuten beide Temperaturen notieren; Temperatur-Zeit-Diagramm zeichnen. Erwartung: Das abgekühlte Wasser sinkt zunächst ab, bis es 4 °C erreicht hat — die Bodentemperatur fällt auf etwa 4 °C und bleibt dort. Oben stellt sich 0 °C ein; Wasser zwischen 0 und 4 °C ist weniger dicht und bleibt oben. Kontrolle: Versuch wiederholen; ohne Isolierung wird die Schichtung durch Wärme von außen gestört.