Stimmt das überhaupt für alle Temteraturen,
oder wird es bei zunehmenden Kältergraden (-100° C, -150° C) wieder dichter?
Gibt es noch andere Stoffe, die dieselbe Dichteanomalie haben?
Ich könnte mir gut vorstellen, das die Wasserstoffverbindungen der Elemente der 6.Hauptgruppe dieselbe Annomalie haben, bin aber nicht sicher.
Wenn sie sie nicht haben, warum nicht?
Danke im Vorraus für eure Antworten,
Philipp.
P.S.: Oder sollte ich diese Frage lieber im Brett Physik stellen?
Ich weiß, das sie genau auf dem Grenzbreich zwischen Chemie und Physik liegt.
Du bist schon auf dem richtigen Weg: Es sind die Wasserstoffbrückenbindungen. Das H2O ist bekanntlich ein gewinkeltes Dipolmolekül, d.h. man kann es vereinfacht in eine positive Seite (Wasserstoff) und eine negative Seite (Sauerstoff) unterteilen. Der Grund ist die Differenz in den Elektronegativitäten. Der Sauerstoff zieht die bindenden Elektronen stärker an und bekommt so eine negative Teilladung.
Die Dipole ziehen sich an und bilden lockere Verbindungen, sog. Cluster. Als Resultat ist der Siede- und Schmelzpunkt höher als nach dem Molekulargewicht der reinen Formel H2O zu erwarten wäre.
Dem steht nun die mit steigender Temoeratur verstärkte Bewegung der Moleküle gegenüber.
Senken wir die Temperatur, so sinkt die Dichte. Bei 4°C ist die beschriebene Aggregation am höchsten, unterhalb dieser Temperatur bilden sich erste starre Gruppen, der Vorläufer des festen Wassers. Diese starren Strukturen brauchen mehr Platz und die Dichte sinkt. Daher ist die Dichte von Eis auch bedeutend geringer als die des flüssigen Wassers.
Die Hydride der anderen Chalkogene zeigen diesen Effekt nicht, da
die Differenzen der Elektronegativität viel geringer sind
die Hydride keinen Bindungswinkel haben, sich etwaige Dipole ohnehin aufheben.
Daher sind sie bei RT gasförmig.
Hallo Bernd,
da muß ich aber ein paar Anmerkungen machen
Lieber Philipp,
Du bist schon auf dem richtigen Weg: Es sind die
Wasserstoffbrückenbindungen. Das H2O ist bekanntlich ein
gewinkeltes Dipolmolekül, d.h. man kann es vereinfacht in eine
positive Seite (Wasserstoff) und eine negative Seite
(Sauerstoff) unterteilen. Der Grund ist die Differenz in den
Elektronegativitäten. Der Sauerstoff zieht die bindenden
Elektronen stärker an und bekommt so eine negative Teilladung.
Die Dipole ziehen sich an und bilden lockere Verbindungen,
sog. Cluster. Als Resultat ist der Siede- und Schmelzpunkt
höher als nach dem Molekulargewicht der reinen Formel H2O zu
erwarten wäre.
Dem steht nun die mit steigender Temoeratur verstärkte
Bewegung der Moleküle gegenüber.
Senken wir die Temperatur, so sinkt die Dichte. Bei 4°C ist
die beschriebene Aggregation am höchsten, unterhalb dieser
Temperatur bilden sich erste starre Gruppen, der Vorläufer des
festen Wassers. Diese starren Strukturen brauchen mehr Platz
und die Dichte sinkt. Daher ist die Dichte von Eis auch
bedeutend geringer als die des flüssigen Wassers.
So weit, so gut. Viel wichtiger als die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sind im Falle des Wassers jedoch die Wasserstoffbrücken, die zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen vorhanden sind und die für die räumliche Struktur des Eises verantwortlich sind.
Die Hydride der anderen Chalkogene zeigen diesen Effekt nicht,
da
die Differenzen der Elektronegativität viel geringer sind
Für die Dipolmomente sind nicht alleine die Elektronegativitätsdifferenzen entscheidend, sondern auch die freien Elektronenpaare, und über diese verfügen auch die anderen Chalkogene. Da Wasserstoffbrückenbindungen dann besonders stark sind, wenn die freien Elektronenpaare kompakt sind, werden die H-Brücken zu Elementen höherer Perioden schwächer.
die Hydride keinen Bindungswinkel haben, sich etwaige Dipole
ohnehin aufheben.
Aufgrund der freien Eloektronenpaare haben natürlich auch die anderen Chalkogen-Wasserstoff-Verbindungen eine gewinkelte Struktur.
Einiges wurde weiter unten schon erwähnt (Wassertoffbrückenbindung Volumenausdehnung bei steigender Temp.), aber meines Erachtens nicht kompakt dargestellt.
Also bei der Dichteanomalie desWassers laufen zwei gegensätzliche Effekte ab.
Die Volumenausdehnung bei der Erwährmung
Die Verminderung des Ordnungszustans beim Erwährmen.
Fast alle Stoffe dehnen sich beim Erwärmen aus. Wasser würde das genauso tun wie fast alle anderen Stoffe auch, wenn sich beim Abkühlen nicht auch Aggregate von Wassermolekülen bilden würden. Diese Aggregate haben eine geringere Dichte als monomeres Wasser.
Gehen wir bei der Betrachtung von Wasser mit 0°C aus.
Beim Erwärmen würde es sich ausdehnen, wenns monomer wäre, da aber beim Erwärmen die Aggregate zerfallen, wird die Dichte aber größer. Bis 4 °C ist der Effekt der Dichtezunahme durch den Zerfall der Aggregate größer als der der Dichteabnahme durch erwärmen. Bei 4°C sind beide Effekte gleich groß, sie heben sich auf. Ab 4 °C ist der Effekt der Dichteabnahme durch das Erwärmen größer, Wasser verhält sich dann (zumindestens in dieser Hinsicht) normal.
Zitat: „Geschmolzenes Bismut hat auffallender Weise eine höhere Dichte als das Feste Mtall… bla bla … Beim Festwerden dehnt sich das Metall so stark aus, das Glasrörchen oder Glaskugeln dadurch zersprengt werden… bla bla bla…Lät man Bismut in einem engen Porzellantiegel erstarren, so quillt schließlich durch die bereits fest gewordene Decke flüssiges Metall hervor.“
Kurze Anmerkung: Wasser ist kein Hydrid, auch die Wasserstoffverbindungen der anderen Chalkogene nicht. Hydrid bedeutet, daß der Wasserstoff die Oxidationszahl -I hat. Das kann er aber nur haben, wenn der Bindungspartner elktropositiver ist, was de facto nur beiden Alkalimetallen der Fall ist.
Im Fall von Wasser hat der Wasserstoff die Oxidationszahl +I.
Moment! Das sind doch alles Elemente! Bilden die auch verschiedene Aggregate? Oder haben die einen anderen Mechanismus, der die Dichteanomalie bewirkt?
Moment! Das sind doch alles Elemente! Bilden die auch
verschiedene Aggregate? Oder haben die einen anderen
Mechanismus, der die Dichteanomalie bewirkt?
Der Mechanismus isr derselbe, wie beim Wasser: Sie bilden in flüssiger Phase verschiedene Strukturen mit unterschiedlicher Dichte, die bei Veränderung der Temperatur ineinander übergehen. Die Dichteanomalie kommt dadurch zustande, daß beim Absenken der Temperatur die Stabilität einer Struktur mit größerem Platzbedarf zunimmt. Die Strukturen selbst unterscheiden sich natürlich von denen des flüssigen Wassers.