Elektronegativität - Chemie
Elektronegativität - Chemie
Einleitung
Die Elektronegativität beschreibt, wie stark ein Atom in einer chemischen Bindung die gemeinsamen Bindungselektronen anzieht. Sie hilft Dir dabei, unpolare und polare Elektronenpaarbindungen, Ionenbindungen, Partialladungen und Dipolmoleküle zu verstehen.
In diesem aiMOOC lernst Du, den Trend der Elektronegativität im Periodensystem zu erklären, Elektronegativitätsdifferenzen zu berechnen und daraus begründete Aussagen über Bindungen und Moleküle abzuleiten.
Input
Was bedeutet Elektronegativität?
Die Elektronegativität wird meist mit dem griechischen Buchstaben bezeichnet. Je größer ihr Wert ist, desto stärker zieht ein gebundenes Atom die Elektronendichte zu sich.
Elektronegativität ist keine direkt messbare Größe wie Masse oder Temperatur. Sie wird mithilfe von Modellen und Vergleichsskalen bestimmt. Am häufigsten wird in der Schule die Pauling-Skala verwendet.
Bei einer Bindung zwischen zwei unterschiedlichen Atomen wird das gemeinsame Elektronenpaar meist nicht gleichmäßig verteilt. Das elektronegativere Atom erhält dadurch eine negative Partialladung , das andere eine positive Partialladung . Partialladungen sind kleiner als vollständige Ionenladungen.
Die Pauling-Skala
Linus Pauling entwickelte eine Skala, auf der Fluor mit etwa 3,98 den höchsten Elektronegativitätswert besitzt. Die Werte sind dimensionslos. Andere Skalen können etwas andere Zahlen liefern.
| Element | Symbol | Elektronegativität nach Pauling |
|---|---|---|
| Natrium | Na | 0,93 |
| Wasserstoff | H | 2,20 |
| Kohlenstoff | C | 2,55 |
| Schwefel | S | 2,58 |
| Stickstoff | N | 3,04 |
| Chlor | Cl | 3,16 |
| Sauerstoff | O | 3,44 |
| Fluor | F | 3,98 |
Bei Edelgasen fehlen in vielen Schultabellen Elektronegativitätswerte, weil sie nur selten typische Bindungen eingehen. Einige wissenschaftliche Skalen geben dennoch Werte für bestimmte Edelgase an.
Trend im Periodensystem
Innerhalb einer Periode nimmt die Elektronegativität im Allgemeinen von links nach rechts zu. Die Kernladung wächst, während die Valenzelektronen derselben Hauptschale angehören. Dadurch werden Bindungselektronen stärker angezogen.
Innerhalb einer Hauptgruppe nimmt die Elektronegativität von oben nach unten meist ab. Zusätzliche Elektronenschalen vergrößern den Atomradius und schirmen die Valenzelektronen stärker vom Atomkern ab.
Als Merkrichtung gilt: Die Elektronegativität steigt im Periodensystem nach rechts oben. Fluor besitzt den höchsten Wert.
Elektronegativitätsdifferenz
Die Elektronegativitätsdifferenz zweier gebundener Atome berechnest Du als Betrag:
Ein vereinfachtes Schulmodell ordnet Bindungen ungefähr so ein:
| Elektronegativitätsdifferenz | Vereinfachte Einordnung | Kennzeichen |
|---|---|---|
| bis etwa 0,4 | unpolare Elektronenpaarbindung | Elektronendichte ungefähr gleich verteilt |
| etwa 0,4 bis 1,7 | polare Elektronenpaarbindung | Ausbildung von Partialladungen |
| ab etwa 1,7 | stark ionischer Bindungsanteil | häufig Bildung eines Ionengitters |
Diese Grenzwerte sind Faustregeln. Chemische Bindungen bilden ein Kontinuum, und auch die Struktur eines Stoffes muss berücksichtigt werden.
Beispiele zur Bindungspolarität
Chlormolekül: Beide Chloratome besitzen denselben Wert.
Die Bindung ist unpolar.
Chlorwasserstoff:
Die Bindung ist polar. Wasserstoff trägt , Chlor trägt .
Natriumchlorid:
Im Schulmodell wird die Verbindung als ionisch beschrieben. Im festen Natriumchlorid liegen Natrium- und Chlorid-Ionen in einem Ionengitter vor.
Kohlenstoff-Fluor-Bindung:
Die Bindung ist deutlich polar, aber nach der üblichen Schulregel noch eine polare Elektronenpaarbindung.
Polare Bindung und Dipolmolekül
Eine polare Bindung macht ein Molekül nicht automatisch zu einem Dipol. Zusätzlich ist die räumliche Anordnung der Bindungen entscheidend.
Im gewinkelten Wassermolekül zeigen die beiden polaren O-H-Bindungen so, dass sich ihre Wirkungen nicht aufheben. Wasser ist deshalb ein Dipolmolekül.
Im linearen Kohlenstoffdioxidmolekül sind die beiden C-O-Bindungen zwar polar, ihre Bindungsdipole wirken jedoch in entgegengesetzte Richtungen und heben sich auf. Kohlenstoffdioxid besitzt daher kein permanentes Gesamtdipolmoment.
Auch Ammoniak ist wegen seiner pyramidenförmigen Struktur und der polaren N-H-Bindungen ein Dipolmolekül.
Bedeutung für Stoffeigenschaften
Elektronegativität hilft, viele chemische Zusammenhänge zu erklären:
- Zwischenmolekulare Kräfte: Polare Moleküle können Dipol-Dipol-Wechselwirkungen ausbilden.
- Wasserstoffbrückenbindung: Stark polare Bindungen zu Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor ermöglichen unter passenden Bedingungen Wasserstoffbrücken.
- Löslichkeit: Polare Stoffe lösen sich häufig besser in polaren Lösungsmitteln, unpolare Stoffe häufig besser in unpolaren Lösungsmitteln.
- Oxidationszahl: Bindungselektronen werden formal dem elektronegativeren Atom zugeordnet.
- Chemische Reaktion: Partialladungen können zeigen, an welchen Stellen eines Moleküls Reaktionen bevorzugt stattfinden.
Elektronegativität allein reicht jedoch nicht aus, um alle Eigenschaften eines Stoffes vorherzusagen. Molekülform, Größe, Ladung und zwischenmolekulare Kräfte müssen ebenfalls betrachtet werden.
Merksätze
- Die Elektronegativität beschreibt die Anziehung von Bindungselektronen.
- Im Periodensystem steigt sie im Allgemeinen nach rechts oben.
- Fluor besitzt auf der Pauling-Skala den höchsten Wert.
- Die Elektronegativitätsdifferenz beschreibt die Polarität einer Bindung.
- Die Molekülgeometrie entscheidet, ob polare Bindungen zu einem Gesamtdipol führen.
- Grenzwerte zwischen Bindungsarten sind nur vereinfachte Orientierungshilfen.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was beschreibt die Elektronegativität? (Die Fähigkeit eines gebundenen Atoms, Bindungselektronen anzuziehen) (!Die Anzahl der Neutronen im Atomkern) (!Die Masse eines einzelnen Elektrons) (!Die Zahl der Elektronenschalen eines Moleküls)
Wie verändert sich die Elektronegativität innerhalb einer Periode meist von links nach rechts? (Sie nimmt zu) (!Sie nimmt ab) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie wird bei jedem Element null)
Welches Element besitzt auf der Pauling-Skala die höchste Elektronegativität? (Fluor) (!Natrium) (!Wasserstoff) (!Kohlenstoff)
Wie wird die Elektronegativitätsdifferenz berechnet? (Als Betrag der Differenz beider Elektronegativitätswerte) (!Als Summe der Protonenzahlen) (!Als Produkt der Atommassen) (!Als Differenz der Neutronenzahlen)
Welche Partialladung trägt das stärker elektronegative Atom in einer polaren Bindung? (Eine negative Partialladung) (!Eine positive Partialladung) (!Immer eine zweifach positive Ionenladung) (!Keine Ladungsverschiebung)
Wie wird eine H-Cl-Bindung mit einer Elektronegativitätsdifferenz von ungefähr 0,96 im Schulmodell eingeordnet? (Als polare Elektronenpaarbindung) (!Als unpolare Elektronenpaarbindung) (!Als Metallbindung) (!Als reine Neutronenbindung)
Was gilt für eine Bindung zwischen zwei gleichen Atomen? (Die Elektronegativitätsdifferenz ist null) (!Ein Atom wird immer zum Kation) (!Die Bindung ist immer ionisch) (!Die Elektronen werden vollständig abgegeben)
Warum nimmt die Elektronegativität innerhalb einer Hauptgruppe nach unten meist ab? (Atomradius und Abschirmung nehmen zu) (!Die Protonenzahl wird kleiner) (!Alle Valenzelektronen verschwinden) (!Die Atome werden zu Edelgasen)
Warum ist Kohlenstoffdioxid trotz polarer C-O-Bindungen kein permanentes Dipolmolekül? (Die Bindungsdipole heben sich wegen der linearen Form auf) (!Sauerstoff besitzt keine Elektronegativität) (!Kohlenstoffdioxid besteht aus Ionen) (!Die C-O-Bindungen sind Metallbindungen)
Wodurch unterscheidet sich eine Partialladung von einer vollständigen Ionenladung? (Sie entsteht durch eine ungleiche Verteilung gemeinsamer Elektronen) (!Sie bedeutet immer die vollständige Abgabe aller Elektronen) (!Sie kommt nur in Atomkernen vor) (!Sie besitzt grundsätzlich den Wert null)
Memory
| Elektronegativität | Anziehung von Bindungselektronen |
| Fluor | Höchster Wert der Pauling-Skala |
| Pauling-Skala | Dimensionslose Vergleichsskala |
| Elektronegativitätsdifferenz | Maß für die Polarität einer Bindung |
| Partialladung | Ungleich verteilte Elektronendichte |
| Dipolmolekül | Getrennte positive und negative Ladungsschwerpunkte |
| Abschirmung | Schwächere Kernanziehung durch innere Elektronen |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Aussage |
|---|---|
| Fluor | Besitzt eine sehr hohe Elektronegativität |
| Chlormolekül | Enthält eine unpolare Bindung |
| Chlorwasserstoff | Enthält eine polare Elektronenpaarbindung |
| Natriumchlorid | Bildet im festen Zustand ein Ionengitter |
| Wassermolekül | Ist wegen seiner gewinkelten Form ein Dipol |
...
Kreuzworträtsel
| Pauling | Welcher Forscher gab der im Unterricht häufig verwendeten Elektronegativitätsskala seinen Namen? |
| Fluor | Welches Element besitzt den höchsten Elektronegativitätswert? |
| Dipol | Wie heißt ein Molekül mit getrennten positiven und negativen Ladungsschwerpunkten? |
| Atomradius | Welche Atomgröße nimmt innerhalb einer Hauptgruppe nach unten zu? |
| Partialladung | Wie heißt eine unvollständige Ladung an einem Atom in einer polaren Bindung? |
| Abschirmung | Wie nennt man die Verringerung der Kernanziehung durch innere Elektronen? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Periodensystem gestalten: Markiere in einem Periodensystem mit Pfeilen, in welche Richtung die Elektronegativität zunimmt, und ergänze eine kurze Begründung.
- Elektronegativitätsdifferenz berechnen: Berechne die Werte für H-Cl, O-H, C-F, N-H und Cl-Cl und ordne die Bindungen mit der Schulregel ein.
- Elektronen-Tauziehen: Stelle mit zwei Personen und einem Seil modellhaft dar, wie zwei Atome unterschiedlich stark an Bindungselektronen ziehen.
- Begriffskarten: Erstelle Karten zu Elektronegativität, Partialladung, Dipol, Abschirmung und Atomradius und formuliere jeweils ein eigenes Beispiel.
Standard
- Molekülvergleich: Baue Modelle von Wasser und Kohlenstoffdioxid und erkläre, warum nur eines der beiden Moleküle einen permanenten Gesamtdipol besitzt.
- Löslichkeit untersuchen: Vergleiche unter Aufsicht die Mischbarkeit von Wasser mit Speiseöl und Ethanol und deute Deine Beobachtungen mithilfe der Polarität.
- Erklärposter: Gestalte ein Poster, das unpolare, polare und überwiegend ionische Bindungen als Kontinuum darstellt.
- Lernvideo produzieren: Erstelle ein höchstens zweiminütiges Video zur Frage, warum Fluor besonders elektronegativ ist.
Schwer
- Elektronegativitätsskalen vergleichen: Recherchiere Pauling-, Mulliken- und Allred-Rochow-Skala und erkläre, warum ihre Zahlenwerte nicht vollständig übereinstimmen.
- Grenzwert kritisch prüfen: Untersuche mehrere Verbindungen und beurteile, warum eine feste Grenze zwischen polarer und ionischer Bindung problematisch ist.
- Molekülgeometrie analysieren: Wähle vier Moleküle mit polaren Bindungen und sage mithilfe ihrer räumlichen Struktur voraus, ob sie Dipolmoleküle sind.
- Fachinterview: Befrage eine Chemielehrkraft oder eine Fachperson dazu, wo Elektronegativität in Forschung, Labor oder Technik praktisch genutzt wird.
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Lernkontrolle
- Trend begründen: Zwei unbekannte Hauptgruppenelemente liegen in derselben Gruppe, eines aber eine Periode tiefer. Begründe, welches voraussichtlich die niedrigere Elektronegativität besitzt.
- Bindungen vergleichen: Ordne C-H, O-H und C-F nach zunehmender Bindungspolarität und erläutere Deine Entscheidung mit Elektronegativitätswerten.
- Molekülform übertragen: Erkläre, warum ein Molekül mit mehreren polaren Bindungen insgesamt unpolar sein kann, und entwickle ein eigenes mögliches Strukturbeispiel.
- Modellgrenzen bewerten: Beurteile die Aussage „Ab einer Elektronegativitätsdifferenz von 1,7 ist jede Bindung vollständig ionisch“.
- Stoffeigenschaft erklären: Nutze Bindungspolarität, Molekülform und zwischenmolekulare Kräfte, um die gute Löslichkeit eines polaren Stoffes in Wasser zu erklären.
- Oxidationszahlen ableiten: Zeige an einer Verbindung, wie die Elektronegativität bei der formalen Zuordnung von Bindungselektronen für Oxidationszahlen genutzt wird.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- den Begriff Elektronegativität fachlich korrekt erklären kannst,
- den Trend im Periodensystem begründen kannst,
- Elektronegativitätsdifferenzen sicher berechnest,
- unpolare, polare und überwiegend ionische Bindungen unterscheidest,
- Partialladungen richtig zuordnest,
- Bindungspolarität und Molekülpolarität auseinanderhältst,
- die Molekülgeometrie bei der Bestimmung eines Dipols berücksichtigst,
- vereinfachte Grenzwerte kritisch als Modell einordnest,
- Zusammenhänge zu Löslichkeit, zwischenmolekularen Kräften und Oxidationszahlen herstellst.
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