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

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

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

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

⋅ ⋅ ‾

⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅

⋅

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

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

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

Anziehungskräfte zwischen geladenen Teilchen Ionenbindung Ion-Dipol-Kräfte

+ +

+ − + −

Dipol-Dipol-Kräfte

δ– δ+

δ– δ– δ–

δ–

δ+ δ+ δ+

δ+

δ+ δ–

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–

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-

• 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

Aggregatzustände von Stoffen

Bewegung der Teilchen

Kräfte zwischen den Teilchen

Feststoff Flüssigkeit

Gas

+ Energie + Energie

- Energie - Energie

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.

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!

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

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

Anordnung der Wassermoleküle im weitmaschigen Gitter eines Eiskristalls Tetraedrische Umgebung des Sauerstoffs Hexagonale Struktur !

Die hohlräumige Struktur von Eis ist auf Wasserstoffbrücken zurückzuführen!

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.

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.

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

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

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

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

Beispiele

Wasserfilm zwischen zwei Glasscheiben

Wasser

Kohäsionskräfte zwischen Wassermolekülen (H-Brücken) in der Schwerelosigkeit

Glasscheibe

Glasscheibe

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

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

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

� Hydrophobierung von Oberflächen (wasserabweisende Ausrüstung) durch Polysiloxane � vergl. 4.3

H2O

hydrophobes Molekülende

hydrophiles Molekülende

Benetzbare Oberfläche

Kapillarität Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillaren (enge Röhren oder Hohlräumen)

Wasser Adhäsionskräfte >

Kohäsionskräfte

� Kapillaraszension

� gute Benetzung

Quecksilber Kohäsionskräfte >

Adhäsionskräfte

� Kapillardepression

� keine Benetzung

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