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Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Molekülsubstanzen - Chemie

Molekülsubstanzen bestehen aus einzelnen, abgegrenzten Molekülen. Innerhalb eines Moleküls sind Atome durch Elektronenpaarbindungen verbunden. Zwischen den Molekülen wirken deutlich schwächere zwischenmolekulare Kräfte. Dieser Unterschied erklärt viele Stoffeigenschaften, zum Beispiel den Aggregatzustand, die Siedetemperatur, die Löslichkeit und die elektrische Leitfähigkeit.

Einleitung

In diesem aiMOOC lernst Du, Molekülsubstanzen zu erkennen und ihre Eigenschaften aus dem Teilchenbau abzuleiten. Beispiele sind Wasser H₂O, Kohlenstoffdioxid CO₂, Methan CH₄, Sauerstoff O₂ und Iod I₂. Molekülsubstanzen können also chemische Verbindungen oder elementare Stoffe sein.

Wichtig: Nicht jede Substanz mit kovalenten Bindungen besteht aus einzelnen Molekülen. In Diamant oder Siliciumdioxid sind die Atome zu einem ausgedehnten Atomgitter verbunden. Natriumchlorid ist dagegen ein Ionengitter und enthält keine NaCl-Moleküle.

Lernziele

Moleküle von Atomen, Ionen und Gittern unterscheiden
Elektronenpaarbindungen als Bindungen innerhalb eines Moleküls beschreiben
polare und unpolare Moleküle unterscheiden
zwischenmolekulare Kräfte passenden Molekülen zuordnen
Stoffeigenschaften mit dem Teilchenbau begründen

Aufbau von Molekülsubstanzen

Moleküle als kleinste Teilchen

Ein Molekül ist ein elektrisch neutrales Teilchen aus mindestens zwei kovalent gebundenen Atomen. Es kann aus gleichen Atomen bestehen, etwa O₂, oder aus verschiedenen Atomsorten, etwa H₂O. Die Summenformel zeigt, welche Atome und wie viele davon in einem Molekül vorkommen.

Substanz	Summenformel	Aufbau eines Moleküls	Stoffart
Wasser	H₂O	zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom	Molekülverbindung
Sauerstoff	O₂	zwei Sauerstoffatome	molekularer Elementstoff
Methan	CH₄	ein Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatome	Molekülverbindung
Kohlenstoffdioxid	CO₂	ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome	Molekülverbindung

Das Methanmolekül ist räumlich tetraedrisch aufgebaut. Seine vier C–H-Bindungen zeigen in verschiedene Raumrichtungen.

Elektronenpaarbindung im Molekül

Bei einer Elektronenpaarbindung teilen sich zwei Atome ein oder mehrere Elektronenpaare. So erreichen viele Hauptgruppenatome eine günstigere Außenschale. Ein gemeinsames Elektronenpaar wird in einer Valenzstrichformel meist als Strich dargestellt.

Einfachbindung: ein gemeinsames Elektronenpaar, zum Beispiel H–H
Doppelbindung: zwei gemeinsame Elektronenpaare, zum Beispiel O=O
Dreifachbindung: drei gemeinsame Elektronenpaare, zum Beispiel N≡N

Molekülmasse und molare Masse

Aus der Summenformel lässt sich die Molekülmasse bestimmen. Für die molare Masse gilt:

$M = \sum_{i} n_{i} \cdot M_{i}$

Dabei ist $n_{i}$ die Anzahl der Atome einer Atomsorte und $M_{i}$ deren molare Atommasse. Für Wasser ergibt sich näherungsweise:

$M (H_{2} O) = 2 \cdot 1,008 \frac{g}{m o l} + 15,999 \frac{g}{m o l} \approx 18,015 \frac{g}{m o l}$

Die molare Masse hilft Dir, Teilchenebene und messbare Stoffmenge miteinander zu verbinden.

Molekülform und Polarität

Räumliche Form

Die räumliche Anordnung der Atome heißt Molekülgeometrie. Sie beeinflusst, ob sich polare Bindungen im gesamten Molekül gegenseitig aufheben. Wasser ist gewinkelt, Kohlenstoffdioxid linear und Methan tetraedrisch.

Obwohl jede C=O-Bindung im CO₂-Molekül polar ist, ist das gesamte Molekül unpolar. Die beiden gleich großen Bindungsdipole zeigen in entgegengesetzte Richtungen und heben sich auf.

Polare Bindung und Dipolmolekül

Zieht ein Atom das gemeinsame Elektronenpaar stärker an, entstehen Partialladungen: $δ^{-}$ am elektronegativeren Atom und $δ^{+}$ am anderen Atom. Ein Molekül ist ein permanenter Dipol, wenn die Schwerpunkte der positiven und negativen Teilladungen nicht zusammenfallen.

Beim gewinkelten Wassermolekül heben sich die Bindungsdipole nicht auf. Wasser ist deshalb ein Dipolmolekül. Beim symmetrischen Methan- und Kohlenstoffdioxidmolekül heben sich die Bindungsdipole insgesamt auf.

Kräfte zwischen den Molekülen

Die kovalenten Bindungen halten die Atome innerhalb eines Moleküls zusammen. Zwischen verschiedenen Molekülen wirken dagegen zwischenmolekulare Kräfte. Beim Schmelzen oder Sieden werden vor allem diese Anziehungen überwunden; die Moleküle selbst bleiben dabei normalerweise erhalten.

London-Kräfte

London-Kräfte entstehen durch kurzzeitige Verschiebungen der Elektronenverteilung. Dadurch bilden sich momentane und induzierte Dipole. London-Kräfte wirken zwischen allen Atomen und Molekülen, auch zwischen unpolaren Molekülen.

Je leichter eine Elektronenhülle verformbar ist und je größer die Kontaktfläche zwischen Molekülen ist, desto stärker können die London-Kräfte sein. Deshalb steigt in vergleichbaren Stoffreihen häufig die Siedetemperatur mit Molekülgröße und Elektronenzahl.

Dipol-Dipol-Kräfte

Zwischen permanenten Dipolmolekülen richten sich entgegengesetzte Partialladungen zueinander aus. Diese Anziehung nennt man Dipol-Dipol-Wechselwirkung.

Wasserstoffbrücken

Wasserstoffbrücken entstehen besonders dann, wenn ein stark positiv polarisiertes Wasserstoffatom an N, O oder F gebunden ist und von einem freien Elektronenpaar an N, O oder F angezogen wird. Sie sind für viele besondere Eigenschaften von Wasser verantwortlich.

Vereinfachte Reihenfolge bei ähnlich großen Molekülen:

London-Kräfte < Dipol-Dipol-Kräfte < Wasserstoffbrücken

Diese Reihenfolge ist eine Orientierung. Die tatsächliche Stärke hängt auch von Molekülgröße, Form, Abstand und Anzahl möglicher Kontaktstellen ab.

Eigenschaften von Molekülsubstanzen

Schmelzen und Sieden

Viele kleine Molekülsubstanzen besitzen niedrigere Schmelz- und Siedetemperaturen als Salze oder Atomgitter. Der Grund ist, dass beim Phasenübergang nicht die starken kovalenten Bindungen im Molekül, sondern überwiegend die schwächeren Kräfte zwischen den Molekülen überwunden werden.

Beim Verdampfen von Wasser werden Wassermoleküle voneinander getrennt. Die O–H-Bindungen innerhalb der Moleküle werden dabei nicht gespalten.

Löslichkeit

Als einfache Regel gilt: Ähnliches löst sich in Ähnlichem.

Polare Moleküle lösen sich häufig gut in polaren Lösungsmitteln wie Wasser.
Unpolare Moleküle lösen sich häufig gut in unpolaren Lösungsmitteln.
Die Regel ist eine Näherung; Molekülgröße und mögliche Wasserstoffbrücken spielen ebenfalls eine Rolle.

Ethanol besitzt einen polaren und einen unpolaren Molekülteil. Deshalb kann es sich mit Wasser mischen und zugleich bestimmte unpolare Stoffe besser lösen als reines Wasser.

Elektrische Leitfähigkeit

Reine Molekülsubstanzen leiten elektrischen Strom meist schlecht, weil keine frei beweglichen Ionen oder Elektronen vorhanden sind. Eine wässrige Lösung kann dennoch leitfähig werden, wenn Moleküle mit Wasser reagieren und dabei Ionen entstehen. Ein Beispiel ist Chlorwasserstoff in Wasser.

Fester Zustand

Auch feste Molekülsubstanzen bestehen aus einzelnen Molekülen. Diese sind in einem Molekülkristall regelmäßig angeordnet und werden durch zwischenmolekulare Kräfte zusammengehalten. Trockeneis ist festes Kohlenstoffdioxid.

Vergleich wichtiger Stoffklassen

Stoffklasse	Kleinste Baueinheiten	Zusammenhalt	Typische Leitfähigkeit	Beispiel
Molekülsubstanzen	Moleküle	zwischenmolekulare Kräfte	meist gering	Wasser, Kohlenstoffdioxid
Salze	Kationen und Anionen	Ionenbindung im Ionengitter	als Schmelze oder Lösung leitfähig	Natriumchlorid
Metalle	Atomrümpfe und delokalisierte Elektronen	Metallbindung	gut leitfähig	Kupfer
Atomgitter	Atome	kovalente Bindungen im gesamten Gitter	meist gering	Diamant

Merksatz: Der Teilchenbau bestimmt die Stoffeigenschaften. Frage deshalb immer zuerst: Welche Teilchen liegen vor, und welche Kräfte wirken zwischen ihnen?

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Woraus besteht eine Molekülsubstanz? (Aus einzelnen Molekülen) (!Aus frei beweglichen Elektronen) (!Nur aus Kationen) (!Nur aus Atomkernen)

Welche Bindung hält Atome innerhalb eines Wassermoleküls zusammen? (Elektronenpaarbindung) (!Metallbindung) (!Ionenbindung) (!London-Kraft)

Warum ist ein Kohlenstoffdioxidmolekül insgesamt unpolar? (Die Bindungsdipole heben sich wegen der linearen Form auf) (!Es enthält keine Elektronen) (!Kohlenstoff und Sauerstoff haben gleiche Elektronegativität) (!Es besteht aus Ionen)

Welche zwischenmolekulare Kraft wirkt zwischen allen Molekülen? (London-Kraft) (!Ionenbindung) (!Metallbindung) (!Atombindung)

Zwischen welchen Molekülen treten Dipol-Dipol-Kräfte auf? (Zwischen permanenten Dipolmolekülen) (!Nur zwischen Metallen) (!Nur zwischen Edelgasatomen) (!Nur zwischen Ionen)

Welche Voraussetzung begünstigt Wasserstoffbrücken? (Wasserstoff ist an Stickstoff Sauerstoff oder Fluor gebunden) (!Das Molekül enthält nur Kohlenstoff) (!Das Molekül ist ein Metall) (!Es liegen ausschließlich Ionen vor)

Was wird beim normalen Sieden einer Molekülsubstanz hauptsächlich überwunden? (Anziehungskräfte zwischen den Molekülen) (!Atomkerne werden gespalten) (!Alle kovalenten Bindungen werden getrennt) (!Protonen werden in Elektronen umgewandelt)

Warum leiten reine Molekülsubstanzen meist schlecht? (Es fehlen frei bewegliche geladene Teilchen) (!Ihre Moleküle besitzen keine Masse) (!Sie enthalten immer nur ein Element) (!Ihre Atome bewegen sich überhaupt nicht)

Welche Aussage zur Löslichkeit ist eine nützliche Näherung? (Ähnliches löst sich in Ähnlichem) (!Jeder Stoff löst sich gleich gut in Wasser) (!Nur Feststoffe können sich lösen) (!Unpolare Stoffe sind immer wasserlöslich)

Was zeigt die Summenformel H2O? (Ein Molekül enthält zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom) (!Ein Molekül enthält zwei Sauerstoffatome) (!Wasser besteht aus drei Ionen) (!Wasser ist ein Metall)

Memory

Molekülsubstanz	einzelne Moleküle
Elektronenpaarbindung	Bindung innerhalb des Moleküls
London-Kraft	momentane und induzierte Dipole
Dipol-Dipol-Kraft	Anziehung permanenter Dipole
Wasserstoffbrücke	starke zwischenmolekulare Wechselwirkung mit H an N O oder F
Molekülkristall	regelmäßige Anordnung neutraler Teilchen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Wassermolekül	gewinkelt und polar
Kohlenstoffdioxidmolekül	linear und unpolar
Methanmolekül	tetraedrisch und unpolar
Chlorwasserstoffmolekül	polarer Dipol
Sauerstoffmolekül	unpolares Elementmolekül

Kreuzworträtsel

Molekül	Wie heißt ein abgegrenztes neutrales Teilchen aus kovalent gebundenen Atomen?
Dipol	Wie heißt ein Molekül mit getrennten Ladungsschwerpunkten?
Methan	Welcher Stoff besitzt die Summenformel CH4?
Trockeneis	Wie heißt festes Kohlenstoffdioxid?
Londonkraft	Welche Wechselwirkung entsteht durch momentane und induzierte Dipole?
Siedepunkt	Wie heißt die Temperatur des Übergangs von flüssig zu gasförmig?

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Lückentext

Molekülsubstanzen bestehen aus einzelnen

. Innerhalb eines Moleküls werden Atome durch

zusammengehalten. Die räumliche Anordnung der Atome nennt man

. Ein Molekül mit getrennten positiven und negativen Ladungsschwerpunkten heißt

. Zwischen allen Molekülen wirken

. Besonders starke zwischenmolekulare Wechselwirkungen mit passend gebundenem Wasserstoff heißen

. Beim Sieden werden vor allem die Kräfte

den Molekülen überwunden. Reine Molekülsubstanzen leiten elektrischen Strom meist

. Für die Löslichkeit dient die Regel Ähnliches löst sich in

.

Offene Aufgaben

Leicht

Molekülmodell: Baue aus Knete oder einem Molekülbaukasten Modelle von H₂O, CO₂ und CH₄ und fotografiere sie aus zwei Perspektiven.
Stoffsteckbrief: Erstelle einen Steckbrief zu einer Molekülsubstanz aus Deinem Alltag mit Formel, Aggregatzustand und Verwendung.
Teilchenzeichnung: Zeichne denselben Molekülstoff als Feststoff, Flüssigkeit und Gas im Teilchenmodell.
Begriffsnetz: Verbinde die Begriffe Molekül, Bindung, Dipol, Siedetemperatur und Löslichkeit in einer Concept-Map.

Standard

Polarität untersuchen: Vergleiche Wasser, Kohlenstoffdioxid und Methan und begründe ihre Gesamtpolarität mit Form und Bindungsdipolen.
Löslichkeitsversuch: Plane einen sicheren Versuch mit Wasser, Speiseöl und Ethanol unter Aufsicht und dokumentiere Beobachtung und Deutung.
Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video zum Unterschied zwischen einer Bindung im Molekül und einer Kraft zwischen Molekülen.
Siedetemperatur: Ordne eine kleine Auswahl ähnlicher Molekülsubstanzen nach erwarteter Siedetemperatur und begründe Deine Reihenfolge.

Schwer

Datenanalyse: Suche verlässliche Stoffdaten einer homologen Reihe und prüfe den Zusammenhang zwischen molarer Masse und Siedetemperatur.
Modellkritik: Untersuche, welche Informationen Kugel-Stab-Modelle zeigen und welche Eigenschaften sie nicht realistisch darstellen.
Forschungsfrage: Entwickle eine Untersuchung zur Frage, wie Molekülstruktur und Wasserlöslichkeit zusammenhängen, und formuliere kontrollierbare Variablen.
Interview: Befrage eine Fachperson aus Labor, Apotheke oder Umwelttechnik zur Bedeutung von Molekülsubstanzen und werte die Aussagen chemisch aus.

Lernkontrolle

Struktur-Eigenschafts-Beziehung: Erkläre, warum Wasser einen deutlich höheren Siedepunkt besitzt als ähnlich kleine unpolare Moleküle.
Vergleich: Vergleiche Kohlenstoffdioxid, Natriumchlorid und Diamant auf Teilchenebene und leite daraus Unterschiede beim Schmelzen und bei der Leitfähigkeit ab.
Transfer auf unbekannte Stoffe: Ein unbekannter Stoff besteht aus neutralen Molekülen, ist unpolar und besitzt eine große Elektronenhülle. Formuliere begründete Erwartungen zu London-Kräften und Löslichkeit.
Fehleranalyse: Widerlege die Aussage: Beim Verdampfen von Wasser werden die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
Versuchsplanung: Entwirf eine Untersuchung, mit der Du zwei farblose Flüssigkeiten anhand ihrer Mischbarkeit und Leitfähigkeit einer Stoffklasse zuordnen kannst.
Modellentscheidung: Beurteile, ob Summenformel, Valenzstrichformel oder räumliches Modell am besten geeignet ist, um die Polarität eines Moleküls vorherzusagen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu Molekülsubstanzen sind besonders wichtig:

Du unterscheidest Moleküle sicher von Ionen, Metallen und Atomgittern.
Du beschreibst die Elektronenpaarbindung als Bindung innerhalb eines Moleküls.
Du liest Summenformeln und berechnest einfache molare Massen.
Du nutzt Molekülgeometrie und Bindungspolarität zur Beurteilung eines Dipols.
Du unterscheidest London-Kräfte, Dipol-Dipol-Kräfte und Wasserstoffbrücken.
Du erklärst Schmelz- und Siedeverhalten, Löslichkeit und Leitfähigkeit mit dem Teilchenbau.
Du wendest die Modelle auf unbekannte Molekülsubstanzen an und benennst Grenzen der Modelle.

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