Wieso haben Sauerstoff, Stickstoff und Chlor eine größere molare Masse als Wasser?

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1 Antwort

Moin,

du bringst da einiges durcheinander.

In den Naturwissenschaften bezeichnet man Stoffe, die chemisch nicht weiter zerlegbar sind, als Elemente. Demnach sind Sauerstoff, Sticktstoff oder Chlor Elemente in diesem Sinne.

Wasser wird zwar auch manchmal als "Element" bezeichnet (zusammen mit "Luft", "Erde", "Feuer" oder auch "Metallen"), aber dann hat man den Kontext mit den Naturwissenschaften verlassen und befindet sich im Bereich der Philosophie. Im naturwissenschaftlichen Sinne ist Wasser kein Element, sondern eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff. Chemische Verbindungen sind chemisch zerlegbar und gehören deshalb nicht zu den Elementen im naturwissenschaftlichen Sinn.

Ein weiterer Irrglaube von dir scheint zu sein, dass Masse in diesem Zusammenhang nichts mit dem Aggregatzustand zu tun hat. Unter Normalbedingungen (20-25°C und 1013 hPa Luftdruck) gibt es überhaupt nur zwei Elemente, die flüssig sind, nämlich Brom und Quecksilber. Alle anderen sind unter diesen Bedingungen fest oder gasförmig. Aber das hat nichts per se mit dem Zustand zu tun. Bei –196°C wird Stickstoff auch flüssig. Flüssigen Sauerstoff erhältst du schon bei –183°C und wenn du das auf –213°C abkühlst, gibt es sogar festen Sauerstoff.

Ob ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist, hängt also nicht vom Stoff ab, sondern von der Temperatur und dem Druck.

Ob ein Stoff bei Normalbedingungen fest, flüssig oder gasgörmig ist hängt dann allerdings doch vom Stoff ab. Oder besser gesagt davon, wie schwer die kleinsten Teilchen des Stoffes sind und wie stark sich die kleinsten Teilchen untereinander anziehen.

Und hier kommen wir in den Bereich der Betrachtung, bei dem du diese beiden Aspekte einzeln betrachten musst.
Dazu musst du dir immer vor Augen halten, dass es logisch ist, dass ein Stoff, der sich aus Teilchen zusammensetzt, die schwer sind, also eine große Masse haben, schwerer in die Gasphase überführt werden kann als ein Stoff, dessen kleinste Teilchen leicht sind, also eine geringe Masse aufweisen.
Genau so entscheidend ist aber auch, wie groß die Kräfte sind, mit denen sich die Teilchen untereinander anziehen und somit festhalten. Auch hier ist einleuchtend, dass Teilchen, die sich gegenseitig stark anziehen und somit festhalten, nicht so leicht voneinander zu trennen sind, was aber die Voraussetzung dafür ist, dass diese Teilchen in den gasförmigen Aggregatzustand überführt werden können.

Betrachten wir nun die von dir genannten Beispiele:

Sauerstoffmoleküle bestehen aus zwei Atomen Sauerstoff. Ein Sauerstoffatom hat die Masse von 16 u. Daher wiegt ein Sauerstoffmolekül 32 u. Das ist nur eine relativ geringe Masse. Untereinander halten sich Sauerstoffmoleküle nur über van-der-Waals-Kräfte zusammen. Und weil Sauerstoffmoleküle auch noch ziemlich klein sind, sind auch die wirksamen van-der-Waals-Kräfte klein.

Analoges gilt für Stickstoff (N2 hat eine Masse von 14 u) und Chlor (Cl2 hat eine Masse von 35 oder 37 u). Aber auch hier herrschen zwischen den Molekülen nur van-der-Waals-Kräfte, die sie zusammen halten. Aufgrund der etwas größeren Masse, vor allem aber wegen der etwas größeren Moleküle und den damit verbundenen stärkeren van-der-Waals-Kräften ist Chlor etwas schwerer zum Sieden zu bringen. Chlor wird schon bei –34,6°C gasförmig.
Hättest du nun noch als Beispiel das unter Normalbedingungen tatsächlich flüssige Brom genannt, so können wir feststellen, dass ein Brommolekül knapp 80 u wiegt und im Vergleich mit Stickstoff, Sauerstoff und Chlor auch noch viel größer ist. Es wirken zwar auch zwischen Brommolekülen nur van-der-Waals-Kräfte, aber die sind aufgrund der Molekülgröße so stark, dass sie zusammen mit der großen Masse dafür sorgen, dass Brom unter Normalbedingungen flüssig ist (Siedetemperatur: +58,5°C).

Wassermoleküle setzen sich aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen zusammen. Ein Sauerstoffatom bringt 16 u auf die Waage, ein Wasserstoffatom hat sogar nur die Masse von 1 u. Daher hat ein Wassermolekül die Masse von nur 18 u. Das ist also noch viel leichter als ein Sauerstoffmolekül. ABER zwischen Wassermolekülen herrschen nicht nur die leppischen van-der-Waals-Kräfte, sondern zusätzlich noch die viel stärkeren Wasserstoffbrückenbindungen. Diese kommen zustande, weil die Bindung zwischen dem Sauerstoffatom und dem Wasserstoffatom stark polar ist. Und weil darüber hinaus die Molekülgeometrie des Wassermoleküls auch noch gewinkelt ist, bilden Wassermoleküle permanente Dipole. Somit halten sich Wassermoleküle über mehrere Wasserstoffbrückenbindungen und permante Dipole gegenseitig fest. Und diese zwischenmolekularen Bindungskräfte sind so groß, dass die leichten Moleküle von Wasser bei Normalbedingungen eben nicht gasförmig umher fliegen, sondern eine Flüssigkeit bilden.

LG von der Waterkant

paulixxx3 11.11.2017, 12:07

Oh okay, aber vielen Dank :) 

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