Atome und Moleküle – Bausteine der Stoffe

Atome und Moleküle – Bausteine der Stoffe Übung

• Wähle aus, auf welchem Bild du kein reines Element siehst.

  Tipps

  Ein Stoff, der nur aus einer einzigen Atomsorte besteht, ist ein reines Element.

  Lösung

  Atome sind in der Chemie die kleinsten Teilchen. Sie setzen sich aus Atomkern und Atomhülle zusammen. Aktuell sind 118 verschiedene Arten von Atomen bekannt. Doch die Vielfalt der Stoffe auf der Erde ist viel größer!
  Wenn ein Stoff aus nur einer einzigen Atomsorte zusammengesetzt ist, spricht man von einem reinen Element:

  • Bei Metallen wie Eisen ordnen sich die Atome zu einer festen Gitterstruktur.
  • Edelgase wie Helium und Argon liegen als einzelne, frei bewegliche Atomen vor.
  • Nichtmetalle (außer den Edelgasen) bilden Moleküle, die aus mehreren Atomen der gleichen Sorte bestehen.

  
  Nehmen wir Sauerstoff $\ce{(O_2)}$ als Beispiel:

  • Je zwei Sauerstoffatome gehen eine chemische Bindung ein, die sogenannte Atombindung.
  • Jetzt haben wir ein Sauerstoff-Molekül.
  • Es handelt sich immer noch um ein reines Element, aber das Gas besteht aus zweiatomigen Molekülen.

  
  Bei den festen Nichtmetallen wie Phosphor oder Schwefel sind neben den zweiatomigen Molekülen noch weitere Kombinationen mit einer einzelnen Atomsorte möglich. Daraus ergeben sich auch weitere Erscheinungsformen dieser Stoffe.
  
  Aber die wirklich große Vielfalt an Stoffen ensteht, wenn sich verschiedene Atomsorten zu Molekülen verbinden.

  Das Paradebeispiel ist Wasser $\ce{(H2O)}$. Wassermoleküle entstehen durch die Bindung eines Sauerstoff- mit zwei Wasserstoff-Atomen. Solche kleinen Moleküle gibt es in unzähligen Kombinationen. Sie zählen dann nicht mehr zu den reinen Elementen, sondern zu den Verbindungen.

• Element oder Verbindung?

  Tipps

  Nichtmetalle bilden Moleküle.

  Stoffe, in denen verschiedene Atomsorten chemisch gebunden sind, nennt man Verbindungen.

  Lösung

  Wenn ein Stoff aus nur einer einzigen Atomsorte besteht, spricht man von einem reinen Element. Beispiele sind:
  

  • Metalle wie Eisen $\ce{(Fe)}$ und Kupfer $\ce{(Cu)}$,
  • Edelgase wie Helium $\ce{(He)}$ und Argon $\ce{(Ar)}$ und
  • Nichtmetalle wie Sauerstoff $\ce{(O2)}$ oder Stickstoff $\ce{(N2)}$ oder die festen Nichtmetalle wie Phosphor $\ce{(P4)}$ oder Schwefel $\ce{(S8)}$.

  Nichtmetalle (außer Edelgase) bilden Moleküle, die aus zwei oder mehr gleichen Atomen aufgebaut sind. Auch sie gehören zu den reinen Elementen und werden daher als Elementmoleküle bezeichnet.
  
  Moleküle, die aus verschiedenen Atomsorten bestehen, gehören nicht zu den reinen Elementen und heißen Verbindungen. Beispiele sind:
  

  • Wasser $\ce{(H2O)}$,
  • Kohlenstoffdioxid $\ce{(CO2)}$,
  • Schwefelwasserstoff $\ce{(H2S)}$ und
  • Stickstofftrichlorid $\ce{(NCl3)}$.

• Erkläre die unterschiedlichen Verbindungen genauer.

  Tipps

  Chlorophyll und Hämoglobin sind komplexe Farbstoffe.

  Fette bilden zwischen der OH-Gruppe des Glycerins und einer Fettsäure unter Wasserabspaltung eine sogenannte Esterbindung aus.

  Der Zusammensetzung der Kohlenhydrate versteckt sich schon im Namen.

  Lösung

  Neben den kleinen Molekülen wie Wasser oder Kohlenstoffdioxid gibt es auch viele Verbindungen, die aus deutlich größeren Molekülen aufgebaut sind.

  Du hast vielleicht schon mal von Chlorophyll gehört, das ist das Blattgrün der Pflanzen und essenziell für die Fotosynthese.

  Ein ähnliches Kaliber ist Hämoglobin, das in unseren roten Blutkörperchen steckt und für die Aufnahme von Sauerstoff zuständig ist.

  In den meisten Fällen ist Kohlenstoff das Schlüsselelement solcher großen Moleküle.

  Das liegt daran, dass Kohlenstoffatome sich besonders gut zu langen Ketten und verzweigten Netzwerken verbinden können.
  
  Wir Menschen, Tiere und Pflanzen – alles, was auf der Erde lebt, setzt sich größtenteils aus Wasser und ebensolchen Kohlenstoff-Verbindungen zusammen, die in unzähligen Variationen auftreten. Das macht Kohlenstoff zum Baustein des Lebens.

  • Kohlenhydrate setzen sich beispielsweise aus Ketten von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff zusammen – das steckt auch im Namen.
  • Fette sind Kohlenwasserstoffe, die über Sauerstoff miteinander verknüpft sind.
  • Proteine besitzen zusätzlich noch u. a. Stickstoff.

  Die aus solchen Bausteinen zusammengesetzten Molekülketten werden Makromoleküle genannt.

• Beschrifte die Moleküle.

  Tipps

  Die allotrope Modifikation von Sauerstoff $\ce{(O2)}$ ist Ozon $\ce{(O3)}$. Beide gehören zu den Elementmolekülen.

  Graphit ist ein Molekül aus dem Element Kohlenstoff.

  Farbstoffe wie das Blattgrün können sehr komplex aufgebaut sein.

  Lösung

  Moleküle können sehr klein sein, aber auch riesig groß.

  Zweiatomige Gase wie beispielsweise Sauerstoff gehören zu den Elementmolekülen. Genauso wie viele feste Nichtmetalle, die aus einer unterschiedlichen Anzahl an Atomen derselben Sorte zusammengesetzt sind. Je nach Anzahl sind ganz unterschiedliche Erscheinungsformen möglich. Diese unterschiedlichen Erscheinungsformen heißen allotrope Modifikationen. Ein Beispiel ist Graphit, der aus Schichten von Kohlenstoff-Sechserringen besteht.

  Kleine Moleküle wie Kohlenstoffdioxid sind aus unterschiedlichen Atomen zusammengesetzt. Sie werden auch zu den Verbindungen gezählt.

  Zu den Komplexen Molekülen zählt beispielsweise Chlorophyll, aber auch das Hämoglobin der roten Blutkörperchen. Ebenfalls handelt es sich hier um eine Verbindung aus mehreren unterschiedlichen Atomen.

  Zu den Makromolekülen zählen die Proteine, Verbindungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, aber auch Kohlenhydrate, Fette oder die DNA.

• Gib an, welches Bild keine Kohlenstoffverbindung zeigt.

  Tipps

  Die Organik umfasst das Teilgebiet der Chemie, in der es um Kohlenstoffverbindungen geht, also sowohl um Natur- als auch um Kunststoffe.

  Hier siehst du einen Proteinkomplex aus verschiedenen Aminosäureketten.

  Hier siehst du eine DNA-Doppelhelix mit ihrem Zucker-Phosphat-Rückgrat.

  Ein Siegerpokal besteht aus Gold.

  Lösung

  Kohlenstoff spielt eine so wichtige Rolle in der Chemie, dass man zwei große Teilgebiete unterscheidet:

  • die Anorganische Chemie, dazu zählen alle Stoffe ohne Kohlenstoff, und
  • die Organische Chemie, also die Chemie der Kohlenstoff-Verbindungen.

  Zu den Stoffen ohne Kohlenstoff zählen Metalle wie beispielsweise Kupfer, aber auch Mineralien und Salze.

  Zu den Kohlenstoffverbindungen zählen nicht nur Verbindungen, die in Lebewesen vorkommen, wie Proteine oder DNA, sondern auch künstlich hergestellte Stoffe wie Polymere.

  Polymere bestehen aus Kohlenwasserstoff-Ketten, die – ähnlich wie Proteine – mit anderen Atomen kombiniert sein können. Du kennst sie als Plastik, zum Beispiel Polyethylen oder Polycarbonat. Dass man solche Stoffe auch Kunststoffe nennt, drückt sehr gut aus, dass sie nicht in der Natur vorkommen. Praktische Beispiele sind Polyvinylchlorid (PVC) und Polyethylenterephthalat (PET)

• Unterscheide die Stoffe nach ihrer Zugehörigkeit zu Elementen und Verbindungen.

  Tipps

  Vier Stoffe werden zu den Verbindungen gezählt.

  Eine Verbindung besteht aus Atomen verschiedener Elemente, die chemisch miteinander verbunden sind.

  Lösung

  Du kannst Stoffe nach reinen Elementen, Elementmolekülen und Verbindungen unterscheiden.
  
  1.$~$ Reine Elemente

  Reine Elemente bestehen nur aus einer einzigen Atomsorte, aber ihre Atome sind nicht über chemische Bindungen miteinander verknüpft. Dazu gehören:

  • Metalle wie Aluminium oder Platin. Ihre Atome sind in einem Metallgitter angeordnet.
  • Edelgase wie Neon. Sie bestehen aus einzelnen, frei beweglichen Atomen ohne chemische Bindung untereinander.

  
  
  2.$~$ Elementmoleküle

  Elementmoleküle bestehen ebenfalls nur aus einer einzigen Atomsorte, doch hier sind die Atome über chemische Bindungen (kovalente Bindungen) miteinander verbunden. Beispiele sind:

  • Schwefel $\ce{(S8)}$
  • Phosphor $\ce{(P4)}$
  • Ozon $\ce{(O3)}$

  
  
  3.$~$ Verbindungen

  Verbindungen enthalten verschiedene Atomsorten, die durch chemische Bindungen miteinander verbunden sind. Sie können in kleine und große Moleküle unterteilt werden:

  • Kleine Moleküle (Essigsäure $\ce{(CH3COOH)}$, Wasser $\ce{(H2O)}$, Kochsalz $\ce{(NaCl)}$ (ionische Verbindung))
  • Große Moleküle (Chlorophyll (Blattgrün der Pflanzen), Hämoglobin (Sauerstofftransport im Blut))
  • Makromoleküle (Naturstoffe wie Proteine oder DNA, Kunststoffe wie PVC oder PET)