Struktur: wie Atome angeordnet sind
Atome verbinden sich, indem sie Elektronen teilen oder abgeben. Jedes Atom in einem Molekül hält seine Elektronenpaare (Bindungen und freie Elektronenpaare) so weit wie möglich voneinander entfernt, denn Elektronenpaare stoßen sich ab. Diese einfache Idee (das VSEPR-Modell) liefert die Form.
Häufige Formen
- Linear: CO2 (180 Grad).
- Gewinkelt: H2O (etwa 104.5 Grad), weil zwei freie Elektronenpaare die Bindungen näher zusammendrücken.
- Pyramide: NH3 (etwa 107 Grad), ein freies Elektronenpaar.
- Tetraeder: CH4 (109.5 Grad), vier Bindungen, kein freies Elektronenpaar.
Größere Strukturen folgen denselben Ideen: Ein Diamant ist ein riesiges Netzwerk aus Kohlenstoffatomen, ein Salzkristall ist ein sich wiederholendes Gitter aus Ionen.
Eigenschaften: was Form und Ladung bestimmen
Manche Atome ziehen gemeinsame Elektronen stärker an; dieser Zug heißt Elektronegativität. Heben sich die Züge in einem Molekül nicht auf, ist ein Ende leicht negativ und das andere leicht positiv. Das Molekül ist polar. Heben sich die Züge auf, wie beim geraden CO2 oder beim tetraedrischen CH4, ist das Molekül unpolar.
Was sich dadurch ändert
- Polare Moleküle ziehen sich stärker an, darum siedet Wasser bei 100 °C, Methan aber erst bei etwa −162 °C.
- Ähnliches löst sich in Ähnlichem: Salz und Zucker lösen sich in Wasser, Öl nicht.
- Riesige Netzwerke (Diamant, Siliciumdioxid) sind sehr hart und schmelzen bei sehr hohen Temperaturen; Metalle leiten Strom, weil sich Elektronen frei bewegen.
Energie: Aktivierungsenergie, Wärme und Katalysatoren
Damit eine Reaktion startet, müssen sich zuerst die alten Bindungen lockern. Dafür braucht es einen Mindestanstoß, die Aktivierungsenergie (Ea). Stell dir eine Kugel vor, die erst einen Hügel hinauf muss, bevor sie hinunterrollen kann.
Reaktionswärme
Liegen die Produkte energetisch tiefer als die Edukte, wird Wärme frei (exotherm, ΔH negativ). Liegen sie höher, wird Wärme aufgenommen (endotherm, ΔH positiv). ΔH hängt nicht von der Höhe des Hügels ab.
Katalysatoren
Ein Katalysator öffnet der Reaktion einen leichteren Weg mit niedrigerem Hügel. Die Reaktion wird schneller, aber Start- und Endenergie und damit ΔH bleiben gleich. Ein Katalysator wird nicht verbraucht.
Gleichgewicht: wenn eine Reaktion scheinbar stehen bleibt
Viele Reaktionen sind umkehrbar: A ⇄ B. Am Anfang läuft nur die Hinreaktion. Wenn sich B ansammelt, wird die Rückreaktion schneller. Im Gleichgewicht sind beide Geschwindigkeiten gleich, daher bleiben die Mengen von A und B konstant. Nichts ist stehen geblieben; beide Reaktionen laufen weiter (es ist dynamisch).
Gleichgewichtskonstante
Für A ⇄ B gilt K = [B] / [A]. Ein großes K bedeutet überwiegend Produkte, ein kleines K überwiegend Edukte. K ändert sich nur mit der Temperatur.
Die Idee von Le Chatelier
Wenn du ein System im Gleichgewicht störst (mehr A zugeben, Druck oder Temperatur ändern), weicht es so aus, dass die Störung kleiner wird. Ein Katalysator verschiebt das Gleichgewicht nicht; er bringt dich nur schneller dorthin.
Probier es aus: Polarität mit einem Kamm sehen
Reibe einen Plastikkamm an trockenen Haaren. Dreh einen Wasserhahn so auf, dass ein dünner Wasserstrahl fließt. Halte den Kamm in die Nähe des Strahls: Das Wasser biegt sich zum Kamm hin, weil Wassermoleküle polar sind. Probiere dasselbe mit einem dünnen Strahl Speiseöl: Es bewegt sich kaum. Wähle im 3D nacheinander Wasser und Kohlenstoffdioxid und vergleiche die Anzeige.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Bindungswinkel: CO2 180, NH3 etwa 107, H2O etwa 104.5, CH4 109.5 (Grad)
- Exotherm: Produkte tiefer als Edukte, dH < 0
- Endotherm: Produkte höher als Edukte, dH > 0
- Für A <-> B: K = [B] / [A]
- Im Gleichgewicht: Geschwindigkeit hin = Geschwindigkeit zurück
Gelöste Beispiele
1. Warum ist Kohlenstoffdioxid unpolar, obwohl jede C=O-Bindung polar ist?
CO2 ist gerade. Die beiden Bindungszüge sind gleich stark und zeigen in entgegengesetzte Richtungen, also heben sie sich auf. Das Molekül hat kein positives oder negatives Ende.
2. Ein Reaktionsgemisch im Gleichgewicht hat für A <-> B die Werte [A] = 0.2 mol/L und [B] = 0.6 mol/L. Berechne K.
K = [B] / [A] = 0.6 / 0.2 = 3. Die Produkte überwiegen.
3. Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie von 80 kJ auf 50 kJ. Die Edukte liegen 20 kJ über den Produkten. Wie groß ist dH, und wie hoch ist die neue Hinbarriere?
dH = Produkte minus Edukte = -20 kJ (exotherm), und der Katalysator ändert das nicht. Die neue Barriere beträgt 50 kJ.
Häufige Fehler
- Zu denken, ein Katalysator ändere die Produktmenge im Gleichgewicht. Er ändert nur, wie schnell das Gleichgewicht erreicht wird.
- Zu sagen, eine Reaktion höre im Gleichgewicht auf. Hin- und Rückreaktion laufen mit gleicher Geschwindigkeit weiter.
- Zu denken, polare Bindungen machten immer ein polares Molekül. Die Form kann die Züge aufheben (CO2).
- Aktivierungsenergie und dH zu verwechseln. Das eine ist die Höhe des Hügels, das andere der Unterschied zwischen Start und Ende.