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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
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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
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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
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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
⋅ ⋅ ‾
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅
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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
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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
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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
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Anziehungskräfte zwischen geladenen Teilchen Ionenbindung Ion-Dipol-Kräfte
+ +
+ − + −
Dipol-Dipol-Kräfte
δ– δ+
δ– δ– δ–
δ–
δ+ δ+ δ+
δ+
δ+ δ–
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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–
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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-
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• 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
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Aggregatzustände von Stoffen
Bewegung der Teilchen
Kräfte zwischen den Teilchen
Feststoff Flüssigkeit
Gas
+ Energie + Energie
- Energie - Energie
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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.
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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!
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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
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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
![Page 17: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/17.jpg)
Anordnung der Wassermoleküle im weitmaschigen Gitter eines Eiskristalls Tetraedrische Umgebung des Sauerstoffs Hexagonale Struktur !
Die hohlräumige Struktur von Eis ist auf Wasserstoffbrücken zurückzuführen!
![Page 18: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/18.jpg)
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.
![Page 19: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/19.jpg)
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.
![Page 20: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/20.jpg)
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
![Page 21: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/21.jpg)
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
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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
![Page 23: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/23.jpg)
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
![Page 24: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/24.jpg)
Beispiele
Wasserfilm zwischen zwei Glasscheiben
Wasser
Kohäsionskräfte zwischen Wassermolekülen (H-Brücken) in der Schwerelosigkeit
Glasscheibe
Glasscheibe
![Page 25: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/28.jpg)
� Hydrophobierung von Oberflächen (wasserabweisende Ausrüstung) durch Polysiloxane � vergl. 4.3
H2O
hydrophobes Molekülende
hydrophiles Molekülende
Benetzbare Oberfläche
![Page 29: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/29.jpg)
Kapillarität Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillaren (enge Röhren oder Hohlräumen)
Wasser Adhäsionskräfte >
Kohäsionskräfte
� Kapillaraszension
� gute Benetzung
Quecksilber Kohäsionskräfte >
Adhäsionskräfte
� Kapillardepression
� keine Benetzung
![Page 30: 1.1 Eigenschaften des Wassers • Bindung und Struktur Verbindung](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052305/588469c61a28ab0d198bf999/html5/thumbnails/30.jpg)
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