Chemische Bindungen

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Mit chemischen Bindungen sind Verbindungen zwischen Atomen oder Molekülen gemeint. Grundsätzlich unterscheidet man bei Chemische Bindungen zwischen zwei Hauptgruppen: Primärgruppe und Sekundärgruppe.


Primärgruppe


Zur Primärgruppe gehören starke Bindungen, wie die Ionenbindung, die Elektronenpaarbindung oder die Metallbindung. Diese werden auch Primärbindungen oder intramolekulare Kräfte genannt. 


Sekundärgruppe


Zur Sekundärgruppe zählt man die schwachen Bindungen, wie die Van-der-Waals-Kräfte oder die Wasserstoffbrückenbindung. Diese bezeichnet man auch als Sekundärbindungen oder intermolekulare Kräfte.




Ionenbindung


Beginnen wir mit der Ionenbindung. Sie besteht zwischen Metallen und Nichtmetallen. Es muss zwischen den zwei Bindungspartnern ein Elektronegativitätsunterschied von größer als 1,9 sein, damit eine Ionenbindung entstehen kann. Nur dann können Elektronen vollständig vom positiven Partner an den elektronegativeren Partner abgegeben werden.


Nach der Elektronabgabe wird das Metallatom zum Kation: Es wird zum positiv geladenen Ion. Aus dem Nichtmetallatom wird nach Elektronaufnahme ein Anion: Es wird zum negativ geladenen Ion. Weil nun verschiedene Ladungen herrschen, entsteht ein Ionengitter. Dieses bricht im flüssigen Zustand, dennoch wird die Bindung aufrecht erhalten.


Ionenbindungen bestehen hauptsächlich bei Salzen. Ein Beispiel dazu: das Natriumchlorid. Dieses kennst du sicherlich als Kochsalz und ist eine Ionenbindung aus Natrium und Chlor. 


Da das Natriumatom nur ein Valenzelektron besitzt, gibt es dieses an das Chloratom ab, welches sieben Valenzelektronen hat.

  1. Nach Elektronabgabe wird das Natriumatom zum Natrium-Ion, welches positiv geladen ist.

  2. Nach Elektronaufnahme wird das Chloratom zum Chlorid-Ion, welches negativ geladen ist.

  3.  Na + Cl →



Atombindung oder Elektronenpaarbindung


Die Atombindung hat viele Namen. Sie wird auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung genannt. Hierbei teilen sich zwei Elemente ein oder mehrere gemeinsame Elektronenpaare. Die Elektronenpaarbindung entsteht zwischen Nichtmetallen, wobei jedes Atom Valenzelektronen aufnimmt, sodass jedes Atom Elektronen in die Bindung einbringt.


Es wird unterschieden zwischen polaren und unpolaren Atombindungen. Welche der Fall ist, hängt von den beteiligten Elementen und deren Elektronegativität ab. 


Zwischen zwei gleichen Elementen wie z.B. H2 oder O2- entsteht immer eine unpolare Bindung, weil sie dieselbe Elektronegativität haben. Die Valenzelektronen befinden sich genau in der Mitte der zwei Elemente, es wird also gleichberechtigt ein Elektronenpaar geteilt. Somit hat es auch keine Polarität.


Zwischen zwei unterschiedlichen Elementen, wie z.B. bei Chlorwasserstoff, entsteht eine polare Bindung, aufgrund der unterschiedlich hohen Elektronegativität. Das Chlorwasserstoff entsteht aus Chlor (Cl) und Wasserstoff (H). Wasserstoff besitzt nur ein Valenzelektron, welches mit dem Valenzelektron des Chlors eine Einfachbindung eingeht. Wie Stark die Polarität ist, hängt von der Differenz der Elektronegativität der beiden Elemente ab.


Da das Chloratom eine höhere Elektronegativität besitzt als das Wasserstoffatom, zieht es die Elektronen näher zu seinem Kern. So wird das Chloratom negativ geladen () und das Wasserstoff positiv geladen (). Es entsteht somit eine polare Bindung.




Metallische Bindung


Metallische Bindungen gibt es nur zwischen Metallen. Diese besitzen eine sehr niedrige Elektronegativität. Deswegen gibt jedes Metall, welches an einer Bindung beteiligt ist, seine Valenzelektronen ab. 


Zur Folge bilden sich Metallkationen aus, die positiv geladene Ionen sind. Sie werden durch die frei beweglichen Elektronen zusammengehalten. 


Die frei beweglichen Elektronen werden auch delokalisierte Elektronen genannt und sorgen dafür, dass Metalle elektrisch leitend sind.



Wasserstoffbrückenbindung


Die Wasserstoffbrückenbindung gehört zu den schwachen chemischen Bindungen und ist eine zwischenmolekulare Kraft. Sie besteht z.B. in Wasser (H2O) und kann nur entstehen, wenn ein Wasserstoffatom an ein Atom mit einer viel höheren Elektronegativität gebunden ist, wie z.B. Sauerstoff.


Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoff und zwei Wasserstoffatomen. Dabei zieht das Sauerstoffatom die einzigen Valenzelektronen des Wasserstoffatoms zu sich. Somit entsteht eine kovalente polare Bindung. Hier ist das Sauerstoff negativ (S- ) und das Wasserstoff positiv (S+) geladen. 


Durch diese entstandene Bindung kann das Sauerstoff leichte Wechselwirkungen zu Wasserstoffatomen von anderen Wassermolekülen eingehen. Diese Wechselwirkung bezeichnet man als Wasserstoffbrückenbindung, welche relativ schwach ist und Grund für den flüssigen Zustand ist.



Van-der-Waals-Kräfte


Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten chemischen Bindungen. Sie sind zudem auch die schwächsten zwischenmolekularen Kräfte. Sie kann entstehen, wenn sich zwei unpolare Moleküle nähern. 


Wenn diese sich nah genug kommen, können kurzfristige unsymmetrische Ladungsverteilungen der Elektronen innerhalb ihrer Atomhülle entstehen, sodass Dipole gebildet werden. Aufgrund des induzierten Dipols, werden die Moleküle schwach polar. 





Dipol-Dipol-Kräfte


Unter den sogenannten Dipol-Dipol-Kräften bzw. Dipol-Dipol-Wechselwirkungen versteht man Kräfte, die zwischen Molekülen herrschen, welche ein permanentes elektrisches Dipolmoment besitzen. Die Stärke des Dipol-Dipol-Kräfte ist abhängig von Entfernung und relativer Orientierung des Dipols. 


Dipol-Dipol-Kräfte sind schwächer als die Kräfte bei Wasserstoffbrückenbindungen, jedoch stärker als London-Kräfte (spezielle Art der Van-der-Waals-Kräfte).



VSEPR Modell


Die Abkürzung VSEPR steht für Valence Shell Electron Pair Repulsion, was auf deutsch so viel bedeutet wie Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßung und wird auch EPA-Modell (Elektronenpaarabstoßungsmodell) genannt. Mithilfe des VSEPR-Modells kann man Strukturen einfacher Moleküle voraussagen, indem man sie räumlich abbildet.

In der untenstehenden Grafik, siehst du die Struktur eines tetraedischen Moleküls. Neben dieser Struktur gibt es noch sehr viele andere Erscheinungsformen, wie u.a. lineare, gewinkelte oder pyramidale Molekülstrukturen.


VSEPR Geometrie - Tetraeder. Quelle: Gemeinfrei via https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1454649

 




Chemische Bindungen - Das Wichtigste auf einen Blick!


Hier ist eine Übersichtstabelle mit allen chemischen Bindungen, die es gibt:


Chemische Bindungsart

Stärke

Zwischen wem?

Ionenbindung

Stark, aufgrund Elektronegativitätsunterschied von min. 1,9

Zwischen Nichtmetallen und Metallen

Atombindung/ Elektronenpaarbindung

stark

Zwischen zwei gleichen oder unterschiedlichen Elementen

Metallbindung

stark

Nur zwischen Metallen

Wasserstoffbrückenbindung

Schwache Wechselwirkung

Zwischen Wasserstoffatomen und stark elektronegativen Atomen

Van-der-Waals-Kräfte

Schwach, aufgrund nur kurzfristig entstandenen Dipol

Zwischen zwei unpolaren Molekülen

Dipol-Dipol-Kräfte

ist von der Entfernung und relativen Orientierung des Dipols abhängig

Zwischen Molekülen, die ein permanentes elektrisches Dipolmoment besitzen


Finales Chemische Bindungen Quiz

Frage

Woher kommt der Name Van der Waals?

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Antwort

Von dem niederländischen Physiker namens Johannes Diderik van der Waals.

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Frage

Was beschreiben Van der Waals Kräfte?

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Antwort

Diese Kräfte beschreiben die Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen.

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Frage

Welche Eigenschaften haben Van der Waals Kräfte?

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Antwort

Sie sind relativ schwach und keine Atombindung. Die Wechselwirkungsenergie fällt dabei mit der sechsten Potenz des Abstandes ab.

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Frage

In welche drei Bestandteile lassen sich Van der Waals Kräfte unterteilen?

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Antwort

  • Keesom- Wechselwirkung
  • Debye- Wechselwirkung
  • Londonsche Dispersionwechselwirkung
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Frage

Zwischen wem ist die Keesom- Wechselwirkung?

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Antwort

Zwischen 2 Dipolen

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Frage

Zwischen wem ist die Debye- Wechselwirkung?

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Antwort

Zwischen 1 Dipol und 1 polarisierbaren Molekül

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Frage

Zwischen wem ist die Londonsche Dispersionwechselwirkung?

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Antwort

Van-der-Vaals-Kraft (im engeren Sinne)

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Frage

Wie sind Van der Waals Kräfte im Vergleich zu zur Atombindung und Ionenbindung?

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Antwort

Im Vergleich zur Atombindung und Ionenbindung sind Van-der-Vaals-Kräfte sehr schwache Kräfte.

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Frage

Wie entstehen Van-der-Waals-Kräfte?

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Antwort

- Kommen hauptsächlich nur zwischen ungeladenen Kleinstteilchen vor, wie Edelgasatomen oder Molekülen -- Mithilfe dieser Kräfte können sich die kleinen Teilchen anziehen, wenn auch nur sehr schwach.

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Frage

Was sind temporäre Dipole?

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Antwort

Es gibt einzelne unpolare Moleküle, die man nur als temporäre Dipole bezeichnen kann, da ihre Polarität von der Elektronenverteilung abhängig ist. Diese wechselt sich ständig. Und wenn diese sich ständig wechselt, ändert sich auch ständig die Polarität.

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Frage

Wie entsteht eine elektrostatische Wechselwirkung?

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Antwort

Wenn sich zwei unpolare Moleküle durch ihre geringe Teilchengeschwindigkeit lange genug nähern, entsteht eine elektrostatische Wechselwirkung.

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Frage

Wie nennt man eine Ladungsverschiebung durch ein elektrisches Feld noch?

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Antwort

Eine Ladungsverschiebung durch ein elektrisches Feld nennt man auch Influenz.

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Frage

Was passiert wenn die Temperatur steigt?

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Antwort

  • Eine Annäherung ist umso schwieriger, je höher die Temperatur ist. 
  • Je höher die Temperatur steigt, umso mehr überwiegt die thermische Bewegung gegenüber der Van-der-Waals-Bindung.
  • Der Zustand ändert sich vom flüssigen zum gasförmigen.
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Frage

Können Van der Waals Kräfte Festkörper zusammenhalten?

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Antwort

Van-der-Waals-Bindungen können auch Festkörper zusammenhalten. Ein Beispiel dafür sind die Edelgaskristalle, die nur bei sehr tiefen Temperaturen vorkommen.

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Frage

Nenne Beispiele, wo Van der Waals Kräfte wirken.

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Antwort

  • Geckos nutzen diese Kräfte, um auf senkrechten Flächen zu klettern.
  • synthetische Klebstoffe
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Frage

Was sind Wasserstoffbrückenbindungen?

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Antwort

Die Wasserstoffbrückenbindung wird auch kurz Wasserstoffbrücke genannt und ist eine chemische Bindung von elektrostatischer Natur. Die Bindungskräfte sind jedoch schwächer als die kovalente Bindung und Ionenbindung. Sie sind eine Brücke zwischen Wasserstoffatomen und Molekülen.

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Frage

Wie stark ist die Anziehungskraft zwischen Molekülen in einer Wasserstoffbrückenbindung?

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Antwort

Da die Anziehungskraft zwischen diesen Molekülen sehr schwach ist, kann man die Wasserstoffbrückenbindung nicht wirklich eine chemische Bindung nennen. Stattdessen gehört sie zu den zwischenmolekularen Kräften.

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Frage

In welchen zwei Situationen können Wasserstoffbrückenbindungen entstehen?

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Antwort

  • Zwischen zwei Molekülen.
  • Zwischen zwei voneinander getrennten Abschnitten eines größeren Makromoleküls, die durch ein Wasserstoffatom in Verbindung stehen
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Frage

Wann kann eine Wasserstoffbrückenbindung entstehen?

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Antwort

Damit eine WBB entstehen kann, muss das Wasserstoff (H) sich kovalent an ein Atom binden, das eine höhere Elektronegativität hat. Diese elektronegativen Atome besitzen ein freies negativ geladenes Elektronenpaar.

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Frage

Nenne Atome mit hoher Elektronegativität.

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Antwort

Starke elektronegative Atome sind z.B. Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Fluor (F) und in manchen Fällen auch Chlor (Cl)

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Frage

Erkläre die Wasserstoffbrückenbindung anhand von Wasser.

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Antwort

  1.  Wasser besteht aus einem Sauerstoffatom und mit je zwei Wasserstoffatomen. Da das Sauerstoff stark elektronegativ ist, zieht es die negativen Elektronen des Wasserstoffatoms zu sich. 
  2. Nun bildet das Sauerstoffatom eine negative Teilladung (delta minus) aus. 
  3.  Da H negative Elektronen fehlen, bildet H gleichzeitig eine positive Teilladung (delta plus) aus. Dadurch kann H mit den freien Elektronenpaaren des Sauerstoffatoms in Wechselwirkung treten, denn das H ist jetzt partial positiv und das O partial negativ geladen. 
  4. Eine WBB ist entstanden.
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Frage

Nenne vier Beispiele, wo WBB vorkommen.

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Antwort

  • Wasser
  • Proteine
  • RNA
  • DNA
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Frage

Was bewirken WBB in Wasser?

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Antwort

  • Möglichkeiten der Aggregatzustände: flüssiger und fester Zustand
  • Kohäsion
  • Hohe Siedepunkt -Dichteanomalie des Wassers
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Frage

Was bewirken WBB in Proteinen?

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Antwort

  • Stabilisierung der Sekundärstrukturen (Alpha-Helix oder Faltblatt)
  • Stabilisierung der Tertiärstruktur
  • Bindung zur Quartärstruktur
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Frage

Was bewirken WBB in der RNA?

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Antwort

  • Komplementäre Basenpaarung innerhalb der tRNA-Molekülen
  • Basenpaarung zwischen RNA- und DNA-Molekülen
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Frage

Was bewirken WBB in der DNA?

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Antwort

  • Komplementäre Basenpaarung innerhalb Doppelhelix
  • Zusammenhalt beider DNA Stränge durch HBB
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Frage

Wie sieht die Struktur von Wasser aus?

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Antwort

Wassermoleküle im Wasser können bis zu vier HBB eingehen. Dadurch entsteht ein dreidimensionales Netzwerk. Diese Struktur ist nicht die ganze Zeit starr, den es gehen ständig HBB kaputt und neue werden gleichzeitig gebildet. Erst wenn Wasser zu Eis wird, wird die Struktur fest und es bilden sich Kristalle.

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Frage

Warum ist die Siedetemperatur von Wasser 100C°?

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Antwort

Wenn Wasser verdampfen soll, wird sehr viel Energie benötigt, um die HBB aufzubrechen. Deswegen ist der Siedepunkt relativ hoch bei 100°. Im Wasser sind überwiegend 2,4 oder 8 Wassermoleküle miteinander verbunden, die mit viel Energie getrennt werden müssen

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Frage

Wie kommen WBB in der DNA vor?

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Antwort

Die DNA besteht aus zwei aneinander gebundenen Ketten. Es binden sich immer zwei bestimmte sich gegenüberliegende Basen durch die HBB. Die vier Basen die in der DNA bestehen sind: Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C). Jeweils A und T, sowie G und C bilden immer Paare. Zur Weitergabe der DNA werden diese HBB aufgebrochen.

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Frage

Was ist eine Ionenbindung?

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Antwort

Eine Ionenbindung ist eine chemische Bindung zwischen negativ und positiv geladenen Ionen, die sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Ladungen anziehen.

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Frage

Wie entstehen Ionen?

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Antwort

Alle Atome wollen wie die Edelgase sein. Durch Elekektronenabgabe und -aufnahme entstehen entweder Kat- oder Anionen.

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Frage

Welche Ionen entstehen bei der Elektronenabgabe?

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Antwort

Positiv geladene Katione.

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Frage

Welche Ionen entstehen bei der Elektronenaufnahme?

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Antwort

Negativ geladene Anionen.

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Frage

Warum geben Atome ihre Valenzelektronen ab bzw. nehmen welche auf?

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Antwort

Da alle Atome die Edelgaskonfiguration erreichen wollen, geben sie Elektronen ab oder nehmen diese auf, um volle Valenzschalen zu erhalten.

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Frage

Warum heißt das Salz auch Natriumchlorid?

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Antwort

Salz besteht aus je einem Natrium- und Chloratom.

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Frage

Erkläre anhand von Salz, welche Atome die Rolle des Kation bzw. Anion spielen.

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Antwort

  • Natrium = Rolle des positiv geladenen Kation
  • Es hat in seiner äußersten Schale nur ein Elektron
  • Dieses Elektron gibt es ab. Nun ist die äußerste Schale voll. 
  • Chlor = negativ geladenen Anion. Es nimmt das Elektron von Natrium auf. 
  • Seine äußerste Schale hatte ursprünglich sieben Elektronen. Nach der Aufnahme ist die Schale voll.
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Frage

Wieso hat Salz eine Kristallform?

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Antwort

Wenn man Natrium und Chlor zusammen tut, geben die Natriumatome ihre Außenelektronen an die Chloratome ab, welche diese aufnehmen. Dadurch werden Natrium positiv und Chlor negativ geladen. Ihre Kationen und und Anionen bilden einen Gitter, welche durch ihre gegenseitige Anziehung durch die Ionenbindung aufrechterhalten wird. Dadurch erhält Salz seine Kristallform.

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Frage

Welche Hauptgruppen reagieren am meisten miteinander nach dem Elektronenkonfigurationsmodell?

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Antwort

Es reagieren oft die Elemente der ersten oder zweiten Hauptgruppe, mit den Elementen aus der sechsten und siebten Hauptgruppe miteinander. Sie bilden positiv geladene Kationen durch Abgabe Elektronen oder negativ geladene Anionen durch Aufnahme Elektronen.

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Frage

Welche Eigenschaften hat das Kochsalz?

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Antwort

  • Hohe Schmelzpunkte
  • Gute Lösbarkeit in Wasser
  • Gute Stromleitung im geschmolzenen Zustand
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Frage

Wie entsteht eine Ionenbindung beim Magnesiumoxid?

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Antwort

Zwei Magnesiumatome reagieren mit einem Sauerstoffatom. Es bildet sich das Magnesium Ion Mg2+ und das Sauerstoff Ion O2 in einem Gitter des Magnesiumoxids.

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Frage

Nenne Kationen aus Molekül Ionen.

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Antwort

Als Kationen gibt es beispielsweise das Ammonium Ion: NH4+ oder das Hydronium Ion: H3O+.

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Frage

Nenne Anionen aus Molekül Ionen.

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Antwort

  •  z.B. das Nitrat Ion: NO3
  • Sulfat Ion: SO4 (2-).
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Frage

Wie viele Außenelektronen besitzen Atome der 1. bzw. 2. Hauptgruppe?

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Antwort

Die 1. Hauptgruppe hat 1 Außenelektron und die 2. Hauptgruppe hat 2 Außenelektronen usw.

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Frage

Wann werden Elektronen aufgenommen bzw. abgegeben?

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Antwort

Atome die wenige Außenelektronen besitzen, tendieren zur Elektronenabgabe und andersherum, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen.

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Frage

Was zeichnet einen Dipol aus?

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Antwort

Zwei räumlich getrennte Pole, die jeweils ein unterschiedliches Vorzeichen haben, nämlich entweder + oder -, bezeichnet man als Dipol.

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Frage

Was benennen die unterschiedlichen Vorzeichen?

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Antwort

Die Vorzeichen benennen entweder verschiedene elektrische Ladungen oder magnetische Pole von gleicher Größe.

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Frage

Ist der Dipol ein Zweipol?

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Antwort

Nein. Ein Dipol ist kein Zweipol, denn dieser beschreibt eine bestimmte Gruppe elektrischer Schaltungen.

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Frage

Nenne ein Dipol Beispiel in der Physik.

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Antwort

Stabmagnet

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Frage

Durch was wird ein Dipol bestimmt?

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Antwort

Der Dipol wird bestimmt durch das Dipolmoment. Dieses wird beeinflusst durch den Abstand und der Stärke der Pole. Die Quelle eines Dipolfeldes ist der Dipol.

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Frage

Warum besitzen Magnetfelder nur Dipole?

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Antwort

Jede elektrische Ladungsverteilung kann zu einem elektrischen Dipolmoment zugeordnet werden, wenn ihre Gesamtladung nicht vollständig symmetrisch ist. Um dies zu erreichen, sucht man nach dem elektrischen Schwerpunkt, der positiv geladen ist und den elektrischen Schwerpunkt, der negativ geladen ist. Beide Schwerpunkte sind Dipole.

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