Wasser – Aufbau des Moleküls
Beschreibung Wasser – Aufbau des Moleküls
Wasser – Chemie
Wasser kann in drei Aggregatzuständen vorliegen: Wir kennen Wasser in Form von Eis (fest), zum Beispiel beim Schlittschuhlaufen. Wir baden im Wasser (flüssig) und kochen wir Wasser, so verdampft es zu Wasserdampf (gasförmig). Es bietet Lebensraum für viele Organismen und ist lebensnotwendig. Nicht umsonst zählt man Wasser zu den vier Elementen, neben Feuer, Erde und Luft. Aber ist es auch ein chemisches Element? Was Wasser genau ist, welche Eigenschaften es hat und wie die Struktur des Wassermoleküls aussieht beleuchten wir im folgenden.
Was ist Wasser?
In der Chemie unterscheidet man zwischen Reinstoffen und Stoffgemischen. Wasser zählt zu den Reinstoffen. Woran kann man das erkennen? Wie der Name schon sagt, bestehen Reinstoffe aus einem einzigen Stoff. Das lässt sich an den physikalischen Eigenschaften wie Schmelz- und Siedetemperatur erkennen. Diese sind klar definiert. So hat Wasser eine Schmelztemperatur von 0 °C und eine Siedetemperatur von 100 °C bei einem Normaldruck von 101,325 kPa.
Die Zusammensetzung von Wasser
Nun haben wir gelernt, dass Wasser ein Reinstoff ist, aber ist Wasser ein Element oder eine Verbindung? Aufschluss darüber bietet die Elektrolyse von Wasser.
Elektrolyse von Wasser
Hierbei nutzt man in der Chemie den sogenannten Wasserzersetzer, auch „Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat“. Nachdem an den zwei Elektroden eine Spannung von 9-12 Volt anliegt, kann man an beiden Elektroden die Bildung von Gasbläschen beobachten.
An der positiven Elektrode (Anode) steigt Sauerstoff $O_2$ auf. Der Nachweis erfolgt mit der Glimmspanprobe. An der negativen Elektrode (Kathode) entsteht Wasserstoff $H_2$, welcher mittels Knallgasprobe nachgewiesen wird. Bei beiden Stoffen handelt es sich um chemische Elemente, wie man dem Periodensystem der Elemente PSE entnehmen kann. Daraus folgt, dass Wasser eine chemische Verbindung aus zwei Elementen ist.
$2~H_2O \longrightarrow 2~H_2 + O_2$
Die Summenformel von Wasser
Wir wissen nun, dass sich Wasser aus den chemischen Elementen Wasserstoff $H$ und Sauerstoff $O$ zusammensetzt. Aber in welchem Verhältnis? Wie viele Atome von jedem Element sind in der Verbindung enthalten? Eine Antwort auf diese Frage bietet ebenfalls der Wasserzersetzer. An diesem kann man die entstehenden Volumina von Wasserstoff und Sauerstoff in Milliliter $\text{ml}$ ablesen. Es ist festzustellen, dass immer doppelt soviel Wasserstoff wie Sauerstoff entsteht. Die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff haben in der Verbindung Wasser das Verhältnis 2:1.
Mittels der Gasgesetze nach Avogadro kann ermittelt werden, dass $1~\text{mol}$ Wasser bei $120~\text{°C}$ ein Volumen von $32,2~\text{l}$ einnimmt und $18~\text{g}$ wiegt. Daraus leitet sich eine molare Masse von $18~\text{g/mol}$ für $H_2O$ ab. Auf diese molare Masse kommt man nur, wenn 1 Molekül Wasser aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht.
Wir rechnen: $2•1+1•16=18$.
Wobei $1$ und $16$ die Atommassen des Wasserstoffatoms bzw. des Sauerstoffatoms und $18$ ist die Molekülmasse des Wassermoleküls. Die richtige Summenformel des Wassermoleküls lautet demnach: $H_2O$.
Die Strukturformel von Wasser
Wir haben nun die Summenformel von Wasser kennengelernt. Aber wie sieht der Molekülaufbau von Wasser aus? Schauen wir uns dazu die $H_2O$-Strukturformel genauer an:
In Wasser liegt zwischen Sauerstoff und den Wasserstoffatomen jeweils eine Einfachbindung vor. Eine Bindung setzt sich aus zwei Elektronen zusammen, wobei jeweils ein Elektron vom Sauerstoff- und vom Wasserstoffatom stammt. Das ist das gemeinsame Elektronenpaar. Jedes Atom ist bestrebt eine Edelgaskonfiguration zu erreichen, das heißt, eine voll besetzte Schale mit Außenelektronen. Die Wasserstoffatome verfügen dann über jeweils zwei nutzbare Außenelektronen und erreichen somit die Edelgaskonfiguration des Heliumatoms. Das Sauerstoffatom verfügt über acht nutzbare Außenelektronen, da es zudem zwei weitere, nicht-bindende Elektronenpaare besitzt, und erreicht somit die Edelgaskonfiguration des Neonatoms.
Nun hast du die Bindungsart im Molekül $H_2O$ kennengelernt.
Steckbrief Wasser
In der folgenden Tabelle findest du noch einmal alle wichtigen Eigenschaften des Wasser zusammengefasst.
| Steckbrief Wasser $H_2O$ | |
|---|---|
| Summenformel | $H_2O$ |
| molare Masse | $M = 18~\frac{g}{mol}$ |
| Dichte | $\rho = 0,997~\frac{g}{cm^{3}}$ |
| Schmelzpunkt | $\text{Smp.} = 0~^\circ\text{C}$ |
| Siedepunkt | $\text{Sdp.} = 100~^\circ\text{C}$ |
| Farbe | farblos |
Dieses Video
In diesem Video lernst du Wasser (H$_2$O) in der Chemie richtig einzuordnen. Außerdem wird die Summenformel und die Molekülstruktur von Wasser näher betrachtet. Teste anschließend dein Wissen mit den Übungsaufgaben oder löse das Arbeitsblatt.
Transkript Wasser – Aufbau des Moleküls
Hallo und herzlich willkommen zu diesem Video. Es heißt: "Wasser - ein molekularer Stoff mit chemischer Bindung". Du kennst bereits die chemischen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff. Nachher kannst Du den Stoff Wasser richtig einordnen und seine Teilchen beschreiben. Der Film besteht aus fünf Abschnitten: Gemisch oder reiner Stoff? Element oder Verbindung? Die Zusammensetzung. Die Summenformel Die chemische Bindung im Wassermolekül. Gemisch oder reiner Stoff? Wie kann man diese Frage beantworten? Wasser hat bei Normaldruck eine ganz bestimmte Schmelztemperatur, nämlich 0°C. Außerdem beträgt seine Siedetemperatur genau 100°C. Wir haben hier genaue "scharfe" Werte. Und das ist nur möglich, wenn es sich dabei um einen reinen Stoff handelt. Element oder Verbindung? Mit dieser Frage schlugen sich die Wissenschaftler lange herum. Erst nachdem es gelang, eine Elektrolyse des Wassers durchzuführen, konnte man sie beantworten. Zwei Elektroden tauchen in ein Gefäß mit Wasser. Damit die Leitfähigkeit verbessert wird, gibt man etwas Salz hinzu. Man schließt eine Gleichspannungsquelle von etwa neun bis zwölf Volt an die beiden Elektroden an. Schon bald beginnen an der negativen Elektrode Gasbläschen von Wasserstoff aufzusteigen. An der positiven Elektrode bilden sich ebenfalls Gasbläschen. Das ist Sauerstoff. Bei beiden Stoffen handelt es sich um chemische Elemente. Daher kann Wasser nur eine chemische Verbindung sein. Für uns heute ist es leicht, das festzustellen. Wir verfügen über das Periodensystem der Elemente PSE. Unter den chemischen Elementen gibt es nur zwei Flüssigkeiten bei Raumbedingungen. Quecksilber und Brom. So einfach ist Chemie für uns heute.Die Zusammensetzung: Wir wissen bereits, dass Wasser die chemischen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Aber wieviel von jeder Sorte? HO wäre möglich, ein Wasserstoffatom und ein Sauerstoffatom bilden ein Molekül. Möglich wäre auch ein Wasserstoffatom und zwei Sauerstoffatome oder ganz schlimm H2O ,zwei Wasserstoffatome und drei Sauerstoffatome. Um eine Entscheidung zu finden, muss man die Volumina von Wasserstoff und Sauerstoff in ml messen. Möglich wären zum Beispiel 20,4 Wasserstoff, 10,2 Sauerstoff. Oder 35,8 Wasserstoff und 17,9 Sauerstoff oder aber auch 28,0 Wasserstoff und 14,0 Sauerstoff. In jedem Fall ist das Verhältnis 2:1. Unter Verwendung der Gasgesetze, an denen der Wissenschaftler Avogadro stark beteiligt war, kommen wir zu folgender Schlussfolgerung: Da das Verhältnis der Gasmengen 2:1 ist, kann die richtige Formel nur sein H2O, zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom bilden das Wassermolekül. Auch diese komplizierte Aufgabe ist damit gelöst. Die Summenformel: H2O haben wir bereits bestimmt. Ist das dann nicht schon die Summenformel? Nein, denn denkbar sind noch H4O2 oder H6O3 oder H8O4. Die Zahl der Wasserstoffatome ist jeweils doppelt so groß wie die Zahl der Sauerstoffatome. Wir können noch weitere solcher Formeln entwickeln. Beliebig viele. In jedem Fall ist die Zahl der Wasserstoffatome zur Zahl der Sauerstoffatome 2:1. Wie können wir nun bestimmen, welche der Summenformeln die Richtige ist? Wenn wir mit Gasen arbeiten, können wir die Gasgesetze verwenden und die Gesetzmäßigkeit, die Avogadro entdeckt hat. Bei 120°C, da ist Wasser gasförmig, wiegen 32,2l Wasser 18g. Die Formel des Wassermoleküls ist H2O. Wir rechnen: 2•1+1•16=18. 1 und 16 sind die Atommassen des Wasserstoffatoms und des Sauerstoffatoms und 18 ist die Molekülmasse des Wassermoleküls. Und zwar genau des Moleküls, das die Summenformel H2O hat. Damit ist auch diese Frage geklärt. Die richtige Summenformel des Wassermoleküls ist H2O. 5. Die chemische Bindung im Wassermolekül H2O ist die Summenformel. Ein Molekül Wasser besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Und so sieht das in etwa aus. Zwischen den Wasserstoffatomen und dem Sauerstoffatom bestehen zwei chemische Bindungen. Am Sauerstoffatom befinden sich noch zwei Striche. Das sind noch zwei Elektronenpaare. Die Striche markiere ich nun mit grün. Es handelt sich hier um alle Außenelektronen. So ein Strich ist jeweils ein Elektronenpaar. Braun sind nun die gemeinsamen Elektronenpaare gekennzeichnet, die die chemische Bindung ausbilden. Die Wasserstoffatome verfügen dann über jeweils zwei Außenelektronen, das Sauerstoffatom über acht. Das ist jeweils die Zahl genutzter Elektronen in jedem einzelnen Atom. Jedes Atom hat nun eine Edelgaskonfiguration. Die Wasserstoffatome die Konfiguration des Heliumatoms. Das Sauerstoffatom die Konfiguration des Neonatoms. Sicher war das hier kurz und knapp und recht schnell. Erläuternde Informationen findest Du bei den Videos zu den "Lewisstrukturen". Und schon sind wir wieder fertig. Schön, dass ihr so gut mitgearbeitet habt. Ich wünsche Euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.
Wasser – Aufbau des Moleküls Übung
-
Beschreibe, wie man feststellen kann, dass Wasser eine Verbindung ist.
TippsKohlenstoff ist nicht gasförmig.
LösungElemente 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.
TippsDu 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 $n=1$:
$n=\frac{m}{M}=1$.LösungGase 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.
TippsLass den Teil des Glasrohres, der mit Gas gefüllt ist, unmarkiert.
An der negativ geladenen Elektrode entsteht der Wasserstoff.
LösungWasserstoff 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.
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Ermittle, wie viel Wasserstoff oder Sauerstoff nach der Reaktion übrig bleibt.
TippsBei 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?
LösungDas 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.
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Nenne das Verhältnis, in dem Wasserstoff und Sauerstoff im Wassermolekül vorliegen.
TippsLösungZerlegt 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.
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Erkläre, warum für das $H_2O$-Molekül keine andere Verknüpfung der Atome möglich ist.
TippsDie 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.
LösungDamit 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 $H-O-H$.
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7 Kommentare
Es ist zu viel
für die die das Wort MOLEKÜL nicht verstehen
Bei Aufgabe ist + und - vertauscht.
Da es immer mehr Hydrogen als Oxygen gibt und im Video es gezeigt wird dass, Hydrogen bei einer Elektrolyse an dem - Pol Entsteht.
Das Video ist an sich sehr gut ,aber ich finde es ziemlich lang,das Video geht fast 10.min.ich würde es besser finden wenn sie aus dem einen z.B. zwei Videos gemacht hätten... ich hätte es dann besser verstanden !
18 u relative Atommasse, 18 g/mol ist die molare Masse. Ein mol Wasser ist 18 g.
Alles Gute
2*1+1*16=18 u oder ist das auch in gramm