Kohlenstoffchemie – Grundlagen

Carbon Chemistry Basics

Chemie Klasse 10 19 Aufgaben

OrganischKohlenstoffKerncurriculum

Kohlenstoff bildet vier Atombindungen und kann damit stabile Ketten, Verzweigungen und Ringe aufbauen — daher trägt ein einziges Element die ganze Vielfalt organischer Verbindungen. Die Grenze zwischen organisch und anorganisch ist eine didaktische Konvention, kein Naturgesetz. Die Vierbindigkeit des Kohlenstoffs ist der Einstieg in die organische Chemie. Sie geht der homologen Reihe der Alkane voraus.

Voraussetzungen (2)

Molekulare Stoffe und zwischenmolekulare Kräfte

Klasse 9

›

Atombau und Periodensystem – Vertiefung

Klasse 9

›

Ermöglicht (2)

Leicht

Multiple Choice #1 10s ▶ Testen

Wie viele Bindungen kann ein Kohlenstoffatom maximal eingehen?

● 4
○ 2
○ 3
○ 6

Kohlenstoff hat vier Außenelektronen und kann daher vier kovalente Bindungen eingehen. Diese Vierbindigkeit ist die Grundlage für die Vielfalt organischer Verbindungen.

Wahr / Falsch #2 10s ▶ Testen

Organische Verbindungen enthalten immer Kohlenstoff.

✓ Wahr

Richtig! Organische Verbindungen sind per Definition kohlenstoffhaltig. Es gibt jedoch einige Kohlenstoffverbindungen (z. B. CO₂, Carbonate), die zu den anorganischen Stoffen gezählt werden.

Lückentext #3 15s ▶ Testen

Die Fähigkeit von Kohlenstoffatomen, untereinander lange Ketten und Ringe zu bilden, nennt man ___.

✓ Antwort: Kettenfähigkeit

Die Kettenfähigkeit (Katenation) des Kohlenstoffs ist der Grund für die enorme Vielfalt organischer Verbindungen. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind besonders stabil.

Multiple Choice #4 15s ▶ Testen

Welche der folgenden Verbindungen ist eine anorganische Kohlenstoffverbindung?

● Calciumcarbonat (CaCO₃)
○ Methan (CH₄)
○ Ethanol (C₂H₅OH)
○ Essigsäure (CH₃COOH)

Calciumcarbonat (Kalk) ist trotz seines Kohlenstoffgehalts eine anorganische Verbindung. Carbonate, Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Kohlenstoffmonoxid (CO) werden traditionell den anorganischen Stoffen zugeordnet.

Wahr / Falsch #5 10s ▶ Testen

Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist eine organische Verbindung.

✓ Falsch

Falsch! CO₂ gehört zu den anorganischen Kohlenstoffverbindungen. Obwohl es Kohlenstoff enthält, wird es zusammen mit CO, Carbonaten und einigen anderen einfachen Kohlenstoffverbindungen den anorganischen Stoffen zugeordnet.

Zahleneingabe #6 10s ▶ Testen

Wie viele Außenelektronen (Valenzelektronen) besitzt ein Kohlenstoffatom?

✓ Antwort: 4

Kohlenstoff steht in der IV. Hauptgruppe des Periodensystems und hat daher 4 Valenzelektronen. Diese vier Elektronen stehen für Bindungen zur Verfügung.

Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

Wie viele verschiedene Moleküle mit der Summenformel C₄H₁₀ gibt es?

● Zwei
○ Eines
○ Drei

Weil Kohlenstoff vier Bindungen eingeht und stabile C–C-Ketten bilden kann, lassen sich vier C-Atome auf zwei Arten verknüpfen: als gerade Kette (Butan) und verzweigt (Isobutan, 2-Methylpropan). Eine Summenformel legt also nicht ein einziges Molekül fest. Eine bloß abgeknickt gezeichnete Kette ist aber kein drittes Molekül – die Atome sind gleich verknüpft. Mit mehr C-Atomen wächst die Zahl der Möglichkeiten rasant: Darum gibt es so viele Kohlenstoffverbindungen.

Lückentext #8 10s ▶ Testen

Die Lehre von den Kohlenstoffverbindungen wird als ___ Chemie bezeichnet.

✓ Antwort: organische

Die organische Chemie (auch Kohlenstoffchemie) beschäftigt sich mit Kohlenstoffverbindungen und deren Reaktionen. Der Name stammt aus der Zeit, als man glaubte, organische Stoffe könnten nur von Lebewesen hergestellt werden.

Multiple Choice #9 15s ▶ Testen

Welche Elemente kommen neben Kohlenstoff am häufigsten in organischen Verbindungen vor?

● Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff
○ Eisen, Kupfer, Zink
○ Natrium, Kalium, Calcium
○ Gold, Silber, Platin

Die häufigsten Elemente in organischen Verbindungen sind C, H, O und N (sog. Organogene Elemente). Dazu kommen oft Schwefel, Phosphor und Halogene.

Mittel

Lückentext #1 15s ▶ Testen

Bei der sp³-Hybridisierung sind die vier Bindungen des Kohlenstoffs ___ angeordnet.

✓ Antwort: tetraedrisch

Bei der sp³-Hybridisierung bildet Kohlenstoff vier gleichwertige Hybridorbitale, die tetraedrisch angeordnet sind. Der Bindungswinkel beträgt dabei 109,5°.

Zahleneingabe #2 15s ▶ Testen

Wie groß ist der Bindungswinkel (in Grad) bei einem sp³-hybridisierten Kohlenstoffatom (auf ganze Grad gerundet)?

✓ Antwort: 109

Der ideale Tetraederwinkel beträgt 109,5° (gerundet 109°). Bei der sp³-Hybridisierung ordnen sich die vier Bindungspartner so an, dass sie den größtmöglichen Abstand zueinander haben.

Multiple Choice #3 15s ▶ Testen

Welche Hybridisierung liegt bei einem Kohlenstoffatom mit einer Doppelbindung vor?

● sp²
○ sp³
○ sp
○ s²p²

Bei einer Doppelbindung ist das Kohlenstoffatom sp²-hybridisiert. Es bildet drei σ-Bindungen in einer Ebene (Winkel 120°) und eine π-Bindung mit dem nicht hybridisierten p-Orbital.

Wahr / Falsch #4 12s ▶ Testen

Bei der sp²-Hybridisierung sind die Bindungen planar (in einer Ebene) angeordnet.

✓ Wahr

Richtig! Die drei sp²-Hybridorbitale liegen in einer Ebene mit Bindungswinkeln von 120°. Das verbleibende p-Orbital steht senkrecht auf dieser Ebene und bildet die π-Bindung.

Sortieren #5 20s ▶ Testen

Ordne die Hybridisierungsarten nach steigender Anzahl der σ-Bindungen am Kohlenstoff: sp, sp², sp³

✓ Antwort: sp, sp², sp³

sp-Hybridisierung: 2 σ-Bindungen, sp²-Hybridisierung: 3 σ-Bindungen, sp³-Hybridisierung: 4 σ-Bindungen. Je mehr s- und p-Orbitale hybridisiert werden, desto mehr σ-Bindungen entstehen.

Zahleneingabe #6 12s ▶ Testen

Wie groß ist der Bindungswinkel (in Grad) bei einem sp²-hybridisierten Kohlenstoffatom?

✓ Antwort: 120

Bei der sp²-Hybridisierung liegen die drei Hybridorbitale in einer Ebene mit Bindungswinkeln von 120°. Dies ist z. B. bei Ethen (Ethylen) der Fall.

Zahleneingabe #7 15s ▶ Testen

Wie viele σ-Bindungen bildet ein sp-hybridisiertes Kohlenstoffatom?

✓ Antwort: 2

Bei der sp-Hybridisierung werden ein s- und ein p-Orbital zu zwei sp-Hybridorbitalen kombiniert. Diese bilden 2 σ-Bindungen. Die verbleibenden zwei p-Orbitale bilden zwei π-Bindungen (Dreifachbindung).

Schwer

Sortieren #1 20s ▶ Testen

Ordne die folgenden Bindungswinkel den Hybridisierungsarten zu (aufsteigend nach Winkel): 109,5° – 120° – 180°

✓ Antwort: 109,5° – 120° – 180°

109,5° gehört zur sp³-Hybridisierung (Tetraeder), 120° zur sp²-Hybridisierung (trigonal-planar) und 180° zur sp-Hybridisierung (linear). Je weniger Bindungspartner, desto größer der Winkel.

Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Friedrich Wöhler widerlegte 1828 die Lehre von der Lebenskraft (vis vitalis), indem er im Labor aus anorganischen Stoffen welche organische Verbindung herstellte?

● Harnstoff
○ Essigsäure
○ Glucose
○ Ethanol

Wöhler stellte 1828 Harnstoff (einen organischen Stoff) aus Ammoniumcyanat (anorganisch) her. Damit bewies er, dass organische Verbindungen auch ohne Lebewesen synthetisiert werden können.

Lückentext #3 15s ▶ Testen

Bei einer Dreifachbindung zwischen zwei C-Atomen liegt eine ___-Hybridisierung vor.

✓ Antwort: sp

Bei einer Dreifachbindung ist das Kohlenstoffatom sp-hybridisiert: eine σ-Bindung aus den sp-Orbitalen und zwei π-Bindungen aus den nicht hybridisierten p-Orbitalen. Die Geometrie ist linear (180°).