Das Kugelwolkenmodell und die Valenzelektronen
Summary
TLDRThis script delves into the molecular structure of water, explaining why H2O consists of two hydrogen atoms bonded to one oxygen atom. It introduces the concept of valence electrons and the periodic table, illustrating how elements' outer electron configurations determine their bonding behavior. The video simplifies complex chemistry by discussing electron shells and the spatial arrangement of atoms in molecules, like methane and water, using the Lewis dot structure. It concludes by addressing the dipole nature of water and its anomalous properties, making chemistry accessible and intriguing.
Takeaways
- 💧 Water is a fundamental element known as H2O, consisting of two hydrogen atoms and one oxygen atom.
- 🔬 The structure of water involves two hydrogen atoms due to chemical bonding principles.
- ⚛️ Valence electrons are key to understanding chemical bonds; they are the electrons involved in bonding.
- 🧪 The number of valence electrons for an element can be determined by its position in the periodic table.
- 📚 Elements in the same column (group) of the periodic table have the same number of valence electrons.
- 🧫 Oxygen, in the sixth group, has six valence electrons, but not all form bonds.
- 🌐 The electron cloud model helps explain molecular structure and atomic bonding.
- 🌀 Electron clouds or orbitals can hold up to two electrons and form bonds by overlapping with others.
- 🧩 Molecules are structured to keep electron clouds as far apart as possible due to repulsion.
- 🔗 In water (H2O), oxygen forms bonds with two hydrogen atoms, resulting in its bent molecular shape.
Q & A
What is the chemical formula for water?
-The chemical formula for water is H2O, which consists of two hydrogen atoms and one oxygen atom.
Why does water have the formula H2O instead of H or another number of hydrogen atoms?
-Water has the formula H2O because of the valency and electron configuration of oxygen, which can form two bonds with hydrogen atoms, resulting in a stable molecule.
What is the concept of valency in chemistry?
-Valency, also known as valence, refers to the number of chemical bonds an atom can form with other atoms. It is determined by the number of valence electrons an atom has.
How can the periodic table help us determine the valency of elements?
-The periodic table organizes elements into groups, with elements in the same group having the same number of valence electrons, which corresponds to their valency.
What is the significance of the electron shell model in understanding atomic structure and chemical bonding?
-The electron shell model helps us understand the arrangement of electrons around an atomic nucleus and how these electron shells participate in chemical bonding to form molecules.
How many electrons can fit in the first electron shell of an atom?
-The first electron shell can accommodate up to two electrons, forming a single electron cloud or orbital.
What is the difference between a single and a double bond in terms of electron cloud overlap?
-A single bond involves the overlap of one electron cloud from each of the two bonding atoms, while a double bond involves the overlap of two electron clouds from each atom.
Why do electrons in an atom prefer to be as far apart as possible?
-Electrons prefer to be as far apart as possible to minimize electron-electron repulsion, which is a result of their negative charges repelling each other.
How does the electron cloud model explain the spatial structure of molecules?
-The electron cloud model explains the spatial structure of molecules by showing how the electron clouds arrange themselves to maximize distance from each other, which in turn dictates the molecule's geometry.
What is the molecular geometry of methane (CH4) according to the electron cloud model?
-According to the electron cloud model, the molecular geometry of methane (CH4) is tetrahedral, with the four hydrogen atoms' electron clouds positioned as far apart as possible around the central carbon atom.
Why is water considered a polar molecule?
-Water is considered a polar molecule because of the difference in electronegativity between oxygen and hydrogen, which results in an uneven distribution of electron density and creates a molecular dipole.
Outlines
🌊 The Fundamentals of Water's Molecular Structure
This paragraph delves into the basic understanding of water's molecular composition, highlighting its well-known chemical formula H2O. It raises questions about why water consists of two hydrogen atoms bonded to one oxygen atom, and not some other configuration. The explanation touches on the Valencia rule and the spherical electron cloud model to elucidate the molecular structure and bonding of various substances. The paragraph also introduces the concept of valence electrons and how they can be determined by an element's position in the periodic table. The summary of this paragraph provides a foundation for understanding the molecular makeup of water and other elements.
🔬 Exploring Molecular Structures and Electron Clouds
The second paragraph focuses on the spatial arrangement of molecules, emphasizing the importance of electron clouds maintaining the maximum possible distance from each other to form the structure of molecules. It uses the example of methane (CH4) to illustrate how single-occupied electron clouds from carbon can overlap with those of hydrogen atoms to form bonds. The paragraph explains the tetrahedron shape of methane, where all four faces are equal, and how the electron clouds' repulsion leads to this spatial arrangement. It also touches on the representation of electron clouds in chemical formulas, with single-occupied clouds as dots and double-occupied ones as lines, known as 'lone pairs.' The summary concludes with an introduction to water's molecular structure, hinting at its dipole nature and the anomalous behavior of water clusters, inviting viewers to watch a related video for further explanation.
Mindmap
Keywords
💡Water
💡Hydrogen
💡Oxygen
💡Valence Electrons
💡Periodic Table
💡Covalent Bonds
💡Electron Shells
💡Spherical Electron Clouds
💡Methane
💡Tetrahedral Structure
💡Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Theory
Highlights
Water is composed of hydrogen and oxygen in a 2:1 ratio, known chemically as H2O.
The structure of water involves two hydrogen atoms bonded to one oxygen atom, which is a common query.
The concept of valence electrons, or 'Aus Elektronen' in German, is introduced to explain chemical bonding.
Valence electrons are those that participate in chemical bonds, and their number can be determined by an element's position in the periodic table.
Elements in the first column of the periodic table have one valence electron, while those in the second column have two, and this pattern continues through the groups.
Helium is an exception with only two electrons, which is why it doesn't follow the pattern of having the same number of valence electrons as its group number.
The molecular structure of substances can be understood using the electron shell model, which is an extension of the Bohr model.
Electron shells are arranged around the atomic nucleus, with each shell able to accommodate a certain number of electrons.
The first electron shell can only hold two electrons, which is why hydrogen has one and helium has two.
For elements with more than four electrons, the second shell comes into play, which can hold up to eight electrons distributed across four subshells.
The filling of electron shells follows a specific order, with single-occupied subshells being filled before any are double-occupied.
Only single-occupied electron shells can form bonds, as seen in the example of methane (CH4) where carbon's four single-occupied shells overlap with hydrogen's.
The spatial structure of molecules is determined by the desire of electron shells to be as far apart as possible, avoiding each other like people who do not like each other.
The tetrahedron shape of methane is explained by the electron shells wanting to be as far apart as possible, resulting in equal distances and angles between the hydrogen atoms.
In the case of water, the oxygen atom has two single and two double-occupied electron shells, allowing it to form two bonds with hydrogen.
The valence shell electron pair repulsion (VSEPR) theory is alluded to in explaining the molecular geometry, although not explicitly named.
Chemical structures are often simplified with valence lines, where single-occupied shells are represented as dots and double-occupied ones as lines.
The video also touches on why water is a dipole and the anomalies of water's behavior, inviting the viewer to look at another video for more details.
Transcripts
heute geht erstmal um wasser jeder von
euch kennt wasser bestehen ja
schließlich zu über 70 daraus und
trinken täglich auch in der chemie als
formeln ist es bekannt richtig h2o das
war hoffentlich jeder aber wenn man sich
die struktur anschaut denkt man sich
doch immer erst moment warum eigentlich
zwei wasserstoffatome warum nicht half
ihr oder sowas muss doch einen grund
dafür geben oder wie kommt man da drauf
und selbst wenn das mit den zwei
wasserstoff unklar ist weiter fakt ist
das ding nicht anders aufgebaut also
einfach gerade oder so um das zu
kapieren und noch den aufbau von ganz
vielen weiteren stoffen muss man sich
die valencia lag thron und das kugl welt
modell anschauen
[Musik]
kommen wir zuerst mal zum bösen wort
weil 1 elektronen klingt am anfang
ziemlich kompliziert oder hat man
zumindest noch nie irgendwo gehört wenn
man die dinge aber einfach außen elektro
nennt wird das ganze schon klarer also
bei den aus elektronen handelt es sich
um die elektronen die sich an den
bindungen beteiligen können wie viele es
davon für ein element gibt lässt sich in
der hauptgruppe ganz einfach sagen dafür
müsst ihr euch die elemente in dem
periodensystem anschauen also der
tabelle die euch in jedem schulbuch und
die übliche misan anlächelt also ob ihr
beste freunde sein die elemente sind da
in verschiedene spalten angeordnet
praktischerweise haben die elemente in
der ersten spalte 1 aus und elektron
also wasserstoff lithium natrium kalium
und so weiter haben alle ein außen
elektronen die elemente der zweiten
hauptgruppe also die in der zweiten
spalte haben zwei aus und elektronen das
geht dann die ganzen ge hauptgruppen
ohne probleme durch bis zu achten
hauptgruppe aber je gilt robert da gibt
es mit helium in sonderfall das hat nur
zwei elektronen und damit auch nur zwei
außen elektron für neon argon und so
weiter passt es dann wieder mit acht
außen elektron
also vom herausfinden wie viele außen
elektronen ein element hat ist wirklich
kinderleicht einfach schauen in welcher
spalte das element steht jetzt kommen
wir zurück zu unserem wasser da ist ja
neben wasserstoff auch sauerstoff drin
sauerstoff steht in der sechsten
hauptgruppe also hat sechs valencia lag
thron aber herr der sauerstoff im wasser
hat doch keine sechs bindung was stimmt
den letzten wieder nicht nur weil der
sauerstoff sechs valencia elektronen hat
hat er nicht automatisch so viele
bindung dafür müssen wir erstmal das
kugl wolk mutterland schauen mit denen
kann man jetzt nämlich den molekül
aufbau und die atom bindung verstehen
das ganze ist eine erweiterung von
burschen atom modell um den atomkern
sind jetzt elektronen schalen angeordnet
in jeder schale sind kugel wolken das
sind nichts anderes als räume für die
elektronen da passen bis zu zwei
elektronen so eine kugel wolke wenn wir
uns die erste schale anschauen dann ist
es ja gerade die erste zeit in unserem
periodensystem auf die erste schale
passen insgesamt nur zwei elektro und
damit nur eine kugel wolke
die wolke ist speziell da die noch
zentral um den kern angeordnetes also
ein kreis um den kern bildet auf dem die
elektronen sind es passen ja nur zwei
elektronen drauf der wasserstoff hat nur
eins deshalb ist da die kugel wolke mit
einem elektron befüllt beim helium sind
es zwei elektro zu zweit passen die
elektronen noch in die wolke deshalb
sind daher logischerweise 23 ab der
nächsten schale wird das ganze
spannender ab hier haben wir immer vier
kugel wolken die außen liegen wenn wir
jetzt also die elemente der schale
durchgehend fangen wir mit lithium an
das hat ein wall and electro damit ist
eine kugel wolke besetzt jetzt könnt ihr
euch vorstellen die elektronen sind
gäste und die kugel wolken sind zimmer
wenn platz ist bekommt erstmal jeder
gast ein eigenes zimmer erst wenn die
zimmer alle einfach belegt sind müssen
zwei gestern ein zimmer also bei brillen
bohr und kohlenstoff ist noch alles klar
jeweils ein elektronen in eine freie
kugel wolke aber bei stickstoff mit
insgesamt 5 mal 1 elektronen ist jetzt
keine lehre kugel weg mehr frei deshalb
gibt es hier eine kugel wolke mit zwei
elektronen so werden dann für sauerstoff
flur und näher und die kugel wolken
aufgefüllt bis es nur noch doppelt
besetzte kugel wolken gibt für die
besetzung der elemente die in tieferen
streiten also in den nächsten schal
liegen kann man sich einfach die oben
dran anschauen also wenn man phosphor
anschaut dann kann man die besetzung mit
stickstoff vergleichen eine doppelt
besetzte kugel wolke und drei einfach
besetzt wichtig zu wissen ist jetzt nur
die elektronen wolken die einfach
besetzt sind können bindungen ausbauen
bei so einer bindung überlappen zwei
einfach besetzte kugel wolken so dass im
überlappenden raum jetzt zwei elektronen
vorhanden sind beispiel hierfür ist
methan also ch4 der wasserstoff hat eine
kugel locker dies einfach besetzt damit
keine eine bindung ausbilden der
kohlenstoff hat vier einfach besetzte
kugel wolken damit kann er verbindungen
ausbauen jetzt kann man also an jeder
kugel wolke von kohlenstoff das
wasserstoffatom mit seiner kugel wolke
überlappen lassen somit erhält man die
bekannten verbindung jetzt bleibt noch
die frage wie man auf die struktur von
molekülen schließen kann wichtig ist es
die elektronen wolken einen möglichst
großen abstand zueinander wollen daraus
folgt dann auch die räumliche struktur
die stoßen sich nämlich ab stellt euch
vor das sind leute die sich nicht mögen
die gehen so weit wie möglich
voneinander weg wenn man das an methan
beispiel anschaut stellt man fest wenn
die am weitesten voneinander entfernt
sein wollen dann liegen die in einer art
tetraeder drin also en tetraeder ist
eine pyramide mit dreieckiger grund
seite zudem sind alle vier flächen
gleich groß wenn wir das ganze beim
wasser an der sauerstoff hat zwei
einfach und zwei doppelt besetzte kugel
wolken damit kann er zwei bindungen
ausbilden bei wasser überlappen jetzt
wasserstoff und sauerstoff kugel wolken
an zwei stellen damit ist die formel h2o
passend die kugel wolken wollen jetzt
den größten möglichen abstand damit
liegen die zwei bindung gewickelt vor
oder probiert mal die jetzt anders
zulegen klappt irgendwie nicht da die
chemiker aber ziemlich faul sind haben
sie ja keinen bock da und wolken zu
malen deshalb gibt es noch die valent
strich wurde hier werden die einfach
besetzten kugel wolken als punkte
dargestellt zum beispiel beim
wasserstoff die doppelt besetzten kugel
wolken an einem atom werden als striche
dargestellt sie werden auch freie
elektronen paare genannt frei insofern
dass sie an keiner bildung beteiligt
sind bei einem molekül werden die
überlappenden kugel welt mit ihren
elektronen als strich zwischen den
beiden element zeichen dargestellt hier
am beispiel von wasser das ganze spart
also deutlich zeit die sonst bei mal
drauf geht durch die gewählte form von
wasser lassen sich jetzt auch andere
sachen erklären zum beispiel warum
wasser ein dipol ist oder warum es zur
anomalie von wasser corp dazu schaut
euch jetzt dieses video anja
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