Das Kugelwolkenmodell und die Valenzelektronen

Chemie - simpleclub
15 Sept 201406:47

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

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🌊 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.

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🔬 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

Water is a universal solvent and a vital molecule for life, composed of hydrogen and oxygen with the chemical formula H2O. In the video, water serves as the primary example to explain molecular structure and bonding. The script discusses why water has two hydrogen atoms bonded to one oxygen atom, which is central to understanding the molecular composition and the theme of the video.

💡Hydrogen

Hydrogen is the first element in the periodic table and has one electron in its outer shell. The video mentions hydrogen in the context of water's molecular structure, emphasizing its role in forming bonds with oxygen. Hydrogen's single electron is key to understanding valency and the formation of covalent bonds in water.

💡Oxygen

Oxygen, found in the sixth group of the periodic table, has six valence electrons and is capable of forming two bonds in water. The script clarifies that despite having six valence electrons, oxygen does not form six bonds in water, which is crucial for understanding molecular bonding and the video's theme.

💡Valence Electrons

Valence electrons are the outermost electrons of an atom that participate in chemical bonding. The video explains how to determine the number of valence electrons by looking at an element's position in the periodic table, which is essential for understanding the bonding in molecules like water.

💡Periodic Table

The periodic table is a tabular arrangement of the chemical elements, ordered by their atomic number, electron configuration, and recurring chemical properties. The script uses the periodic table to explain the concept of valence electrons and how elements in different groups have a specific number of valence electrons.

💡Covalent Bonds

Covalent bonds are formed when two atoms share electrons. The video discusses covalent bonding in the context of water's molecular structure, explaining how the oxygen atom shares electrons with two hydrogen atoms, resulting in the H2O formula.

💡Electron Shells

Electron shells, also known as energy levels, are regions around the nucleus where electrons are located. The video introduces the concept of electron shells to explain the distribution of electrons around atoms and how they participate in bonding.

💡Spherical Electron Clouds

Spherical electron clouds represent the regions where electrons are most likely to be found around an atom. The script uses the spherical electron cloud model to illustrate how electrons are arranged around atoms and how they overlap to form bonds, as seen in the molecular structure of water.

💡Methane

Methane (CH4) is a simple hydrocarbon molecule used in the script as an example of covalent bonding. The video explains how carbon's four valence electrons can form four covalent bonds with hydrogen atoms, resulting in a tetrahedral structure.

💡Tetrahedral Structure

A tetrahedral structure is a molecular geometry where four atoms or groups are located at the corners of a tetrahedron. The video uses the shape of methane to illustrate the spatial arrangement of atoms in a molecule, emphasizing the preference for maximum distance between electron clouds.

💡Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Theory

VSEPR theory predicts the geometry of individual molecules based on the repulsion between electron pairs in the valence shell. The script refers to this theory to explain the three-dimensional shapes of molecules, such as the tetrahedral arrangement of methane.

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

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heute geht erstmal um wasser jeder von

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euch kennt wasser bestehen ja

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schließlich zu über 70 daraus und

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trinken täglich auch in der chemie als

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formeln ist es bekannt richtig h2o das

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war hoffentlich jeder aber wenn man sich

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die struktur anschaut denkt man sich

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doch immer erst moment warum eigentlich

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zwei wasserstoffatome warum nicht half

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ihr oder sowas muss doch einen grund

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dafür geben oder wie kommt man da drauf

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und selbst wenn das mit den zwei

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wasserstoff unklar ist weiter fakt ist

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das ding nicht anders aufgebaut also

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einfach gerade oder so um das zu

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kapieren und noch den aufbau von ganz

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vielen weiteren stoffen muss man sich

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die valencia lag thron und das kugl welt

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modell anschauen

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[Musik]

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kommen wir zuerst mal zum bösen wort

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weil 1 elektronen klingt am anfang

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ziemlich kompliziert oder hat man

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zumindest noch nie irgendwo gehört wenn

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man die dinge aber einfach außen elektro

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nennt wird das ganze schon klarer also

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bei den aus elektronen handelt es sich

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um die elektronen die sich an den

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bindungen beteiligen können wie viele es

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davon für ein element gibt lässt sich in

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der hauptgruppe ganz einfach sagen dafür

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müsst ihr euch die elemente in dem

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periodensystem anschauen also der

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tabelle die euch in jedem schulbuch und

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die übliche misan anlächelt also ob ihr

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beste freunde sein die elemente sind da

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in verschiedene spalten angeordnet

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praktischerweise haben die elemente in

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der ersten spalte 1 aus und elektron

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also wasserstoff lithium natrium kalium

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und so weiter haben alle ein außen

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elektronen die elemente der zweiten

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hauptgruppe also die in der zweiten

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spalte haben zwei aus und elektronen das

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geht dann die ganzen ge hauptgruppen

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ohne probleme durch bis zu achten

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hauptgruppe aber je gilt robert da gibt

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es mit helium in sonderfall das hat nur

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zwei elektronen und damit auch nur zwei

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außen elektron für neon argon und so

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weiter passt es dann wieder mit acht

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außen elektron

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also vom herausfinden wie viele außen

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elektronen ein element hat ist wirklich

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kinderleicht einfach schauen in welcher

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spalte das element steht jetzt kommen

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wir zurück zu unserem wasser da ist ja

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neben wasserstoff auch sauerstoff drin

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sauerstoff steht in der sechsten

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hauptgruppe also hat sechs valencia lag

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thron aber herr der sauerstoff im wasser

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hat doch keine sechs bindung was stimmt

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den letzten wieder nicht nur weil der

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sauerstoff sechs valencia elektronen hat

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hat er nicht automatisch so viele

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bindung dafür müssen wir erstmal das

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kugl wolk mutterland schauen mit denen

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kann man jetzt nämlich den molekül

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aufbau und die atom bindung verstehen

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das ganze ist eine erweiterung von

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burschen atom modell um den atomkern

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sind jetzt elektronen schalen angeordnet

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in jeder schale sind kugel wolken das

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sind nichts anderes als räume für die

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elektronen da passen bis zu zwei

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elektronen so eine kugel wolke wenn wir

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uns die erste schale anschauen dann ist

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es ja gerade die erste zeit in unserem

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periodensystem auf die erste schale

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passen insgesamt nur zwei elektro und

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damit nur eine kugel wolke

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die wolke ist speziell da die noch

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zentral um den kern angeordnetes also

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ein kreis um den kern bildet auf dem die

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elektronen sind es passen ja nur zwei

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elektronen drauf der wasserstoff hat nur

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eins deshalb ist da die kugel wolke mit

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einem elektron befüllt beim helium sind

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es zwei elektro zu zweit passen die

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elektronen noch in die wolke deshalb

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sind daher logischerweise 23 ab der

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nächsten schale wird das ganze

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spannender ab hier haben wir immer vier

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kugel wolken die außen liegen wenn wir

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jetzt also die elemente der schale

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durchgehend fangen wir mit lithium an

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das hat ein wall and electro damit ist

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eine kugel wolke besetzt jetzt könnt ihr

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euch vorstellen die elektronen sind

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gäste und die kugel wolken sind zimmer

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wenn platz ist bekommt erstmal jeder

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gast ein eigenes zimmer erst wenn die

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zimmer alle einfach belegt sind müssen

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zwei gestern ein zimmer also bei brillen

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bohr und kohlenstoff ist noch alles klar

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jeweils ein elektronen in eine freie

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kugel wolke aber bei stickstoff mit

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insgesamt 5 mal 1 elektronen ist jetzt

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keine lehre kugel weg mehr frei deshalb

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gibt es hier eine kugel wolke mit zwei

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elektronen so werden dann für sauerstoff

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flur und näher und die kugel wolken

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aufgefüllt bis es nur noch doppelt

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besetzte kugel wolken gibt für die

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besetzung der elemente die in tieferen

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streiten also in den nächsten schal

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liegen kann man sich einfach die oben

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dran anschauen also wenn man phosphor

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anschaut dann kann man die besetzung mit

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stickstoff vergleichen eine doppelt

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besetzte kugel wolke und drei einfach

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besetzt wichtig zu wissen ist jetzt nur

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die elektronen wolken die einfach

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besetzt sind können bindungen ausbauen

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bei so einer bindung überlappen zwei

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einfach besetzte kugel wolken so dass im

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überlappenden raum jetzt zwei elektronen

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vorhanden sind beispiel hierfür ist

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methan also ch4 der wasserstoff hat eine

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kugel locker dies einfach besetzt damit

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keine eine bindung ausbilden der

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kohlenstoff hat vier einfach besetzte

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kugel wolken damit kann er verbindungen

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ausbauen jetzt kann man also an jeder

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kugel wolke von kohlenstoff das

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wasserstoffatom mit seiner kugel wolke

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überlappen lassen somit erhält man die

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bekannten verbindung jetzt bleibt noch

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die frage wie man auf die struktur von

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molekülen schließen kann wichtig ist es

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die elektronen wolken einen möglichst

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großen abstand zueinander wollen daraus

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folgt dann auch die räumliche struktur

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die stoßen sich nämlich ab stellt euch

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vor das sind leute die sich nicht mögen

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die gehen so weit wie möglich

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voneinander weg wenn man das an methan

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beispiel anschaut stellt man fest wenn

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die am weitesten voneinander entfernt

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sein wollen dann liegen die in einer art

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tetraeder drin also en tetraeder ist

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eine pyramide mit dreieckiger grund

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seite zudem sind alle vier flächen

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gleich groß wenn wir das ganze beim

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wasser an der sauerstoff hat zwei

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einfach und zwei doppelt besetzte kugel

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wolken damit kann er zwei bindungen

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ausbilden bei wasser überlappen jetzt

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wasserstoff und sauerstoff kugel wolken

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an zwei stellen damit ist die formel h2o

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passend die kugel wolken wollen jetzt

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den größten möglichen abstand damit

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liegen die zwei bindung gewickelt vor

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oder probiert mal die jetzt anders

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zulegen klappt irgendwie nicht da die

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chemiker aber ziemlich faul sind haben

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sie ja keinen bock da und wolken zu

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malen deshalb gibt es noch die valent

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strich wurde hier werden die einfach

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besetzten kugel wolken als punkte

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dargestellt zum beispiel beim

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wasserstoff die doppelt besetzten kugel

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wolken an einem atom werden als striche

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dargestellt sie werden auch freie

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elektronen paare genannt frei insofern

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dass sie an keiner bildung beteiligt

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sind bei einem molekül werden die

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überlappenden kugel welt mit ihren

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elektronen als strich zwischen den

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beiden element zeichen dargestellt hier

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am beispiel von wasser das ganze spart

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also deutlich zeit die sonst bei mal

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drauf geht durch die gewählte form von

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wasser lassen sich jetzt auch andere

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sachen erklären zum beispiel warum

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wasser ein dipol ist oder warum es zur

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anomalie von wasser corp dazu schaut

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euch jetzt dieses video anja

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