1.1 eigenschaften des wassers • bindung und struktur verbindung
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1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung zwischen zwei
1 Chemie des Wassers
- Molekül mit der Summenformel H2O
- kovalente Bindung (Atombindung) zwischen O- und H-Atomen
- Modell der kovalenten Bindung � Oktettregel
- Folge der unterschiedlichen Elektro- negativität von O und H � polare Bindungen � Wasser ist ein Dipol
- aufgrund von Strukturbesonderheiten � intermolekulare Wasserstoffbrücken
OHH
H⋅ + ⋅O⋅ + ⋅H � H–O–H
δ–
δ+ δ+
δ–
µB µB µM
1) δ–
δ+ 1)
Moleküldipolmoment
Lewis-Modell der kovalenten Bindung
- Atome von Nichtmetallen binden sich über gemeinsam angehörende, bindende Elektronenpaare aneinander � kovalente Bindung
- Molekülstrukturen werden als Valenzstrichformeln (Lewisformeln) ge- gezeichnet
- 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
H O H
N H
H
H
C
H
H
H
H
+ H ⋅ �
+ 2 H ⋅ �
⋅ C ⋅ + 4 H ⋅ �
+ 3 H ⋅ �
H F
N
F ⋅
⋅
⋅ ⋅ ⋅
⋅
O ⋅ ⋅
8
Atomhülle - Regeln für die Verteilung der Elektronen
Raum
Flur
OG
Valenzelektronen realisieren chemische Bindung
Na11
C6
Cl17
H1
O8
OG
Cl••
••
• • •
H •
Na
•
•
•
C • •
••
••
O • •
Flur
s
s
p
p
s
d
Valenz- elektronen
Elektronenkonfiguration und Bindigkeit1) einiger Elemente der 2. Periode
Atom2) Beispiel (H-Verbindung)
Elektronenkonfiguration
1s 2s 2p
Bindigkeit
Formel Elektronen3)
6C C (2 ?) (CH2 ?) (4 ?)
6C* C 4 CH4 8
7N N 3 NH3 8
8O O 2 H2O 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
⋅ ⋅ ‾
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅
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; Bindungsdipolmomente ergeben Moleküldipolmoment
H
2,1
Periodensystem der Elemente ∆EN-Werte Bindung
0 kovalent Li
1,0
Be
1,5
B
2,0
C
2,5
N
3,0
O
3,5
F
4,0 0,1 bis 0,5 schwach polar
0,6 bis 1,0 mittel polar Na
0,9
Mg
1,2
Al
1,5
Si
1,8
P
2,1
S
2,5
Cl
3,0 1,1 bis 1,6 stark polar
1,7 50 % Ionench. K
0,8
Ca
1,0
Ga
1,6
Ge
1,8
As
2,0
Se
2,4
Br
2,8 > 1,7 überw. ionisch
Bindungsverhältnisse im Wassermolekül
EN 2,1 3,5 2,1
∆EN 1,4 1,4
� kovalente Bindungen � Bindungsdipolmoment µB = q · d
� stark polar � Moleküldipolmoment µM
� Anteil am gemeinsamen Elektronenpaar1)
O = (3,5 / 3,5 + 2,1) · 2 e- = 1,25 e- � Partialladung δ = 0,25 -
H = (2,1 / 2,1 + 3,5) · 2 e- = 0,75 e- � Partialladung δ = 0,25 +
1)Näherung
OHH
δ+ δ+
δ- µB µB
µM
δ+
δ- δ-
vektorielle Addition der µB
Ionenbindung - Reaktion zwischen typischen Metallen und Nichtmetallen (Halogene, Sauerstoff), ∆EN > 1,7
- Elektronenübergang und Bildung von Kationen und Anionen Mit Edelgaskonfiguration (Oktettregel erfüllt)
- elektrostatische Anziehung der Kationen und Anionen Na ⋅ + O + ⋅ Na � Na+ + O 2- + Na+ [Ne] [Ne] [Ne]
jeweils 8 Valenzelektronen 0,9 3,5 0,9
⋅
⋅
8
Anziehungskräfte zwischen geladenen Teilchen Ionenbindung Ion-Dipol-Kräfte
+ +
+ − + −
Dipol-Dipol-Kräfte
δ– δ+
δ– δ– δ–
δ–
δ+ δ+ δ+
δ+
δ+ δ–
Hydratation eines Ions durch das Lösungsmittel Wasser � s. 1.2
Kation- bzw. Anion-Dipol-Kräfte
+ δ– δ–
δ–
δ+ δ–
δ+ δ–
δ+ δ–
δ+ δ–
δ–
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
O
H H
H H
H H
O
H H
O
H H
O
O
δ+
δ+
δ+
δ- δ-
H H δ
+
O H
H O δ-
δ-
• Anomalien des Wassers aufgrund von Wasserstoffbrücken Wasser nimmt aufgrund einer Reihe anomaler Eigenschaften eine Sonder- stellung ein. Es besitzt ungewöhnlich hohe Werte für � den Schmelz- und Siedepunkt
� die Verdampfungswärme
� die spezifische Wärmekapazität
� die Dichte
� die Oberflächenspannung
� die Viskosität
Aggregatzustände von Stoffen
Bewegung der Teilchen
Kräfte zwischen den Teilchen
Feststoff Flüssigkeit
Gas
+ Energie + Energie
- Energie - Energie
Übergang der Aggregatzustände Eis, Wasser und Wasserdampf bei Normaldruck1)
Wärmezufuhr bzw. Wärmeabgabe
Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme2)
± 40,7 kJ/mol = ± 2259 kJ/kg
Schmelz- bzw. Erstarrungswärme2)
± 6,02 kJ/mol = ± 334 kJ/kg
100 °C
Tem
pera
tur
0 °C
Eis Eis/Wasser Wasser Wasser/Wasserdampf Wasserdampf
1)1,01325 bar 2)latende Wärme; lat. latere - verborgen sein
Sdp.
Smp.
Wie viel Kondensationswärme wird frei, wenn 1 L Wasser durch Kondensation aus Wasserdampf bei 25 °C gebildet wird (∆HK = - 44 kJ/mol)?
H2O(g) � H2O(l)
)OH(M)OH(m
)OH(n2
22 = mol5,55
molg18
g1000)OH(n
12 =⋅
= −
∆H = 55,5 mol ⋅ (- 44 kJ/mol) = - 2442 kJ
Brennwertkessel - Heizkessel für Warmwasserheizungen
- vollständige Ausnutzung des Energie- inhalts des Brennstoffs durch Abküh- lung des Abgases (Rücklauf)
- Kondensationssationswärme des Was- serdampfes zur Wärmeerzeugung!
Schmelz- und Siedepunkte der Wasserstoffverbindun-gen der VI. Hauptgruppe
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120 140
Molare Masse (g/mol)
Tem
pera
tur
(°C)
H2O
H2S H2Se
H2Te
Schmelzpunkte
Siedepunkte
Druck-Temperatur-Zustandsdia- gramm
� Bedingungen, bei denen Wasser fest, flüssig oder gasförmig ist
� Aggregatzustände werden durch Phasengrenzlinien be- grenzt
Tripelpunkt (Tp)
� Eis, Wasser und Wasser- dampf liegen im Gleichge- gewicht vor
Kritischer Punkt (krP)
� Gas und Flüssigkeit besitzen die gleiche Dichte und sind nicht mehr unterscheidbar
Temperatur / °C
Dru
ck /
bar
Phasendiagramm des Wassers (Skizze nicht maßstabsgerecht)
0,006
1,013
221
- 273,15 0,01 0 100 374
Eis
Wasser- dampf
Wasser
Siedepunktskurve
Sublimationskurve
Schmelzkurve
Sdp Smp
Tp
krP
Anordnung der Wassermoleküle im weitmaschigen Gitter eines Eiskristalls Tetraedrische Umgebung des Sauerstoffs Hexagonale Struktur !
Die hohlräumige Struktur von Eis ist auf Wasserstoffbrücken zurückzuführen!
Temperaturabhängigkeit der Dichte von Eis und Wasser
Temperatur / °C
ρ = 0,917 g/cm3
0 °C 4 °C
ρ = 1,000 g/cm3 D
icht
e /
g/cm
3
Wasser dehnt sich beim Gefrieren um ca. 9 % gegenüber dem Ausgangsvolumen aus. Wasser hat bei 4 °C seine größte Dichte.
Vorgänge beim Schmelzen und Gefrieren ∆V = 1/11 ≈ 9 Vol.-%!
Eis 1 mol = 19,63 cm3 Wasser 1 mol = 18,00 cm3 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.
Künstliche Luftporen im Beton
Wenige große Luftporen � großer Eisdruck
Viele kleine Luftporen � geringer Eisdruck
� Übliche Größenverteilung 10 - 300 µm
� Verminderung der kapillaren Saugfähigkeit
� Schutz vor Frost- und Frost-Tausalz-Schäden
Ursache der Oberflächenspannung
- Zwischenmolekulare Kräfte im Inneren der Flüssigkeit kompensieren sich
- Oberfläche des Wassers ist Phasen- grenzfläche zur Luft �
flächenhafter Defekt, vernachlässigbare Wechselwirkung mit Luftmolekülen �
resultierende Kraft ins Innere der Flüs- sigkeit gerichtet �
größerer Molekülabstand und geringere Dichte im Oberflächenbereich, stärkere zwischenmolekulare Kräfte �
Oberfläche zeigt Verhalten einer ge- spannten, elastischen Membran
- Verringerung der Oberfläche führt zu Energiegewinn � kleinstmögliche Ober- fläche wird angestrebt � Kugelform
Kräfte heben sich im Innern auf
Grenzfläche
Luft
Wasser
Starke Kräfte innerhalb der Flüssigkeit
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 Flüssigkeits- keitsmolekülen. ∆W = Arbeit (J bzw. N ⋅ m)
∆A = Fläche (m2)
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 H2O 72,6
Ethanol C2H5OH 22,5
n-Hexan n-C6H14 18,4
A∆W∆
=σ
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
Beispiele
Wasserfilm zwischen zwei Glasscheiben
Wasser
Kohäsionskräfte zwischen Wassermolekülen (H-Brücken) in der Schwerelosigkeit
Glasscheibe
Glasscheibe
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 Oberflächen-energie bzw. Oberflächenspannung benetzt. Kontakt- oder Randwinkel α als Maß für die Benetzbarkeit einer Oberfläche
Wasser auf polaren Stoffen (anorganische Baustoffe): starke Adhäsionskräfte � intensive Benetzung
Wasser auf unpolaren Stoffen (Kunststoffe): Adhäsionskräfte im Vergleich zu Kohäsionskräften klein � geringe Benetzung
hydrophil
α
hydrophob
α
klein groß
Benetzung und Schutz von Oberflächen
Oberfläche hydrophob Wasser Medium
Oberfläche oleophob Öl, Schmutz
Oberfläche Funktionelle Fluorverbindungen
Teflon Silicon Paraffin Organische Beschichtungen
Anorg.BMetalle
Struktur -CF3 -CF2- -CH3 -CH3 -CH2, -CH3 -C–O-, -C–N-,
C–H
H–O–H Me–O-
Oberflächen- energie mN/m
13 - 17 19 23 24 26 35 - 45 72 100
Randwinkel
Benetzbarkeit und chemische Modifizierung von Oberflächen
α H2O
α < 90 ° : Oberfläche hydrophil, α > 90 ° : Oberfläche hydrophob, gute Benetzung schlechte Benetzung
- Metalle - Wachse - Keramik - Silicone
- Glas - Teflon
α
H2O
� Hydrophobierung von Oberflächen (wasserabweisende Ausrüstung) durch Polysiloxane � vergl. 4.3
H2O
hydrophobes Molekülende
hydrophiles Molekülende
Benetzbare Oberfläche
Kapillarität Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillaren (enge Röhren oder Hohlräumen)
Wasser Adhäsionskräfte >
Kohäsionskräfte
� Kapillaraszension
� gute Benetzung
Quecksilber Kohäsionskräfte >
Adhäsionskräfte
� Kapillardepression
� keine Benetzung
Feuchtigkeitstransport in kapillarporösen Baustoffen (10 nm < r < 100 µm) � s. Vo. Baustoffe und Umwelt, 3.3
Fundament
Fußboden
Wasser
Fundament
Fußboden
Hmax ~r1
Hmax = maximale Steighöhe in m
r = Kapillarradius in m
Erdreich
Erdreich
Erd
reic
h
Erd
reic
h