Wasser – Aufbau des Moleküls

Wasser – Aufbau des Moleküls Übung

• Beschreibe, wie man feststellen kann, dass Wasser eine Verbindung ist.

  Tipps

  Kohlenstoff ist nicht gasförmig.

  Lösung

  Elemente sind Reinstoffe, die sich nicht mehr in andere Stoffe zerlegen lassen. Verbindungen sind ebenfalls Reinstoffe, diese sind aber aus Elementen aufgebaut und lassen sich auch in diese durch chemische Reaktionen zerlegen.
  Wasser lässt sich in zwei Elemente zerlegen. Damit kann es nicht selbst ein Element sein. Es ist eine Verbindung, die aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff aufgebaut ist.

• Erläutere, wie man die Summenformel von Wasser bestimmen kann.

  Tipps

  Du kannst hier von Avogadros Erkenntnissen profitieren.

  Nach Avogadro ist die Anzahl von Teilchen in einem Mol Stoffmenge benannt. Die Avogadro-Konstante oder -Zahl ist $N_A=6,022 \cdot 10^{23} \text{ mol}^{-1}$.

  Die Stoffmenge $n$ ist gleich die Masse des Stoffes $m$ durch die molare Masse des Stoffes $M$. In unserem Fall ist $n=1$:
  $n=\frac{m}{M}=1$.

  Lösung

  Gase haben einen Vorteil: Kennt man das Volumen und den Druck, so können wir ausrechnen, wie groß die Stoffmenge ist. Dabei ist es egal, um welches Gas es sich handelt!
  Wasser ist erst bei Temperaturen über 100°C gasförmig. Daher wurde mit 120°C eine Temperatur gewählt, die darüber liegt. Daher können wir nun mit dem Gewicht einer bestimmten Menge Wasserdampf sehr einfach ausrechnen, wie die molare Masse von Wasser ist. Dazu wird einfach das Gewicht einer Menge an Wasserdampf bestimmt, das ein Mol Wassermoleküle enthält.
  Ein Mol Wassermoleküle wiegt demnach 18 Gramm. Damit kann man nun berechnen, wie viele Wasserstoff- und Sauerstoffatome in einem Wassermolekül enthalten sind. Ein Mol Wasserstoffatome wiegt einen Gramm, ein Mol Sauerstoffatome wiegt 16 Gramm. Da ein Mol Wassermoleküle 18 Gramm wiegen, muss ein Wassermolekül aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen bestehen.

• Erschließe das richtige Versuchsergebnis zur Elektrolyse von Wasser.

  Tipps

  Lass den Teil des Glasrohres, der mit Gas gefüllt ist, unmarkiert.

  An der negativ geladenen Elektrode entsteht der Wasserstoff.

  Lösung

  Wasserstoff und Sauerstoff entstehen bei der Elektrolyse von Wasser im Verhältnis 2:1. Wasserstoff entsteht an der negativ geladenen Elektrode. Nach 15 Minuten sind 10 ml Wasserstoff entstanden. An der positiv geladenen Elektrode müssen daher 5 ml Sauerstoff entstanden sein, die sich oben im rechten Glasrohr sammeln. Das Verhältnis, in dem die Gase entstehen, ist schon sehr charakteristisch. Jedoch kann man auch jeweils ein wenig der Gase mit einem Reagenzglas entnehmen. Diese Gasproben kann man dann mit einer Glimmspanprobe oder der Knallgasprobe testen.

• Ermittle, wie viel Wasserstoff oder Sauerstoff nach der Reaktion übrig bleibt.

  Tipps

  Bei der Bildung von Wasser wird doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff benötigt.

  Wie viel Sauerstoff wird benötigt, damit 30 ml Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagieren können?

  Lösung

  Das Wassermolekül enthält doppelt so viele Wasserstoffatome wie Sauerstoffatome. Bei der Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff werden beide Stoffe daher auch im Verhältnis 2:1 verbraucht. Ist von einem Gas zu viel vorhanden, bleibt es übrig.

  • Wenn 100 ml Wasserstoff und 50 ml Sauerstoff verwendet werden, bleibt nichts übrig, da hier das Verhältnis 2:1 ist.
  • Bei 30 ml von beiden Gasen ist das Verhältnis 1:1, es bleibt also die Hälfte, 15 ml, des Sauerstoffes übrig.
  • Werden 60 ml Wasserstoff und 20 ml Sauerstoff eingesetzt, so reagieren 20 ml Sauerstoff mit 40 ml Wasserstoff, 20 ml Wasserstoff bleiben daher übrig.
  • Verwendet man 100 ml Sauerstoff und 50 ml Wasserstoff, so können die 50 ml Wasserstoff mit 25 ml des Sauerstoffs reagieren. Daher bleiben 75 ml des Sauerstoffs übrig.

• Nenne das Verhältnis, in dem Wasserstoff und Sauerstoff im Wassermolekül vorliegen.

  Tipps

  Lösung

  Zerlegt man Wasser in seine Bestandteile, also Wasserstoff und Sauerstoff, so kann man feststellen, dass auf einen Teil Sauerstoff zwei Teile Wasserstoff kommen. Das heißt, das Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff im Wasser muss 2:1 betragen. Es sind also doppelt so viele Wasserstoffatome wie Sauerstoffatome im Wassermolekül vorhanden.

• Erkläre, warum für das $H_2O$-Molekül keine andere Verknüpfung der Atome möglich ist.

  Tipps

  Die braunen Striche stehen für bindende Elektronenpaare, die grünen für freie Elektronenpaare.

  Bindende Elektronenpaare werden beiden Bindungspartnern zugeordnet. Im $H-H$-Molekül hat zum Beispiel jedes Wasserstoffatom zwei Elektronen.

  Damit ein Molekül existieren kann, muss jedes Sauerstoffatom acht Außenelektronen haben, und jedes Wasserstoffatom benötigt zwei Außenelektronen.

  Lösung

  Damit ein Molekül existieren kann, muss jedes Sauerstoffatom acht Außenelektronen haben, und jedes Wasserstoffatom benötigt zwei Außenelektronen. Daher kann man sich beim $H_2O$-Molekül schnell überlegen, dass nur eine Möglichkeit zur Verknüpfung der drei Atome im Wassermolekül richtig sein kann.
  Die erste Anordnung, die unmöglich existieren kann, ist $H-H-O$. Bei dieser Anordnung hat ein Wasserstoffatom vier Außenelektronen, da es zwei Bindungen zu seinen Nachbaratomen hat. Außerdem hat das Sauerstoffatom mit nur einer Bindung nur sechs Außenelektronen.
  Ordnet man die drei Atome in einem Kreis an, hat das Sauerstoffatom zwar acht Außenelektronen, die Wasserstoffatome jedoch jeweils vier. Auch dieses Molekül kann daher nicht existieren.
  Die einzige Möglichkeit ist daher die Anordnung $H-O-H$.