20283 Allgemeine und Anorganische Chemie (AAC)

Transkript

1 20283 Allgemeine und Anorganische Chemie (AAC) Wintersemester 2018/19 Michael J. Bojdys 1

2 "Chemistry means the difference between poverty and starvation and the abundant life." - Robert Brent 2

3 Chemie ist die Grundlage der modernen Welt Boris Artzybasheff Cosmos of the Union Carbide & Carbon Corp

4 CHALLENGE 1 Energy security??? Moscow London Berlin Prague Today we flare enough natural gas to power Germany. - Jeff McDaniel, Velocys. Oxford Catalysts Group 4

5 CHALLENGE 2 Endangered elements of a smartphone Innovation Opportunities and Materials Security, Materials Knowledge Transfer Network,

6 CHALLENGE 3 Making useful stuff HABER & BOSCH Fritz Haber (1918) Haber Bosch process N H 2 2 NH 3 (ΔH = 91.8 kj) Innovation Opportunities and Materials Security, Materials Knowledge Transfer Network,

7 CHALLENGE 4 Making new stuff 7

8 Bei Adam und Eva 8

9 Atommodell(e) 9

10 Das Atommodell (?) 10

11 Ruhterford Experiment 11

12 Das Atommodell 12

13 Im PSE: 13

14 Kernbindungsenergie 14

15 15

16 16

17 17

18 Das Prinzip der Kernspaltung Schematische Darstellung des Zusammenstosses eines thermischen Neutrons und eines schweren Nuklids, unter Aufspaltung in zwei Nuklide niedrigerer Massenzahl und gleichzeitiger Freisetzung von (in diesem Fall) drei Neutronen. Die Kernspaltung geht einher mit der Freisetzung großer Mengen Energie. 18

19 19

20 Das PSE Four elements, officially added to the periodic table in December 2015, have been named. They are nihonium (Nh), moscovium (Mc), tennessine (Ts), and oganesson (Og). 20

21 Beispiele von Spektren Frage: Wie können solche Linienspektren erklärt werden? 21

22 Beispiele von Spektren Ausschnitt aus dem Emissionsspektrum des atomaren Wasserstoffs. Verschiedene Gruppierungen von Linien besitzen Namen, z. B. Balmer- und Lyman-Serie. 22

23 Linienspektren und Bohr sches Atommodell 23

24 Wasserstoff im Grundzustand 24

25 Elektronenwellen 25

26 Die Quantenzahlen 26

27 Quantenzusände im Wasserstoffatom (bis n = 4) 27

28 Quantenzahlen und Energie der Orbitale 28

29 Quantenzahlen und Orbitale n Größe des Orbitals l Gestalt der Orbitale 29

30 Quantenzahlen und Orbitale m Orientierung der Orbitale im Raum 30

31 Die Schrödinger-Gleichung Ψ n,l,m = [N] [R n,l (r)] [χ l,m (θ,φ)] Konstante Winkelfunktion (kugelsymmetrich) Winkelabhängiges χ Gleiche Radialfunktion 31

32 Kartesische- zu Polarkoordinaten x = r sinθ cosφ y = r sinθ sinφ z = r cosθ 32

33 Mehr Mathematik für Chemiker 33

34 Die Schrödinger-Gleichung 4πr 2 4πr 2 Aus der Darstellung 4πr 2 Ψ 2 = 4πr 2 R 2 (r) ist die Wahrscheinlichkeit zu entnehmen, das Elektron in einer Kugleschalre mit dem Radius r anzutreffen. Sie beschreibt die Änderung der Elektronendichte mit steigendem Abstand zum Kern und hängt von den Quantenzahlen n und l ab. 34

35 Radiale Elektronendichten abh. von n Radiale Verteilungsfunktionen, 4πr 2R(r)2, der 1s-, 2s- und 3s-Atomorbitale des Wasserstoffatoms. 35

36 Radiale Elektronendichten abh. von n, l 36

37 Radiale Elektronendichten abh. von n, l Darstellung eines s- und drei entarteter p-orbitale. Die Orbitallappen des px-orbitals sind ebenso wie die der py- und pz-orbitale verlängert, liegen aber auf einer Achse senkrecht zur Papierebene. 37

38 Radiale Elektronendichten abh. von n, l Darstellung fünf entarteter d-atomorbitale. 38

39 Radiale Elektronendichten abh. von n, l Darstellung sieben entarteter f-atomorbitale. 39

40 Aufbauprinzip von Atomorbitalen 40

41 Elektronenkonfiguration im Mehrelektronensystem 41

42 Elektronenkonfiguration im Mehrelektronensystem 42

43 Reihenfolge der Besetzung von Unterschalen 43

44 Änderung der Energie der Unterschalen mit Ordnungszahl 44

45 Elektronenkonfiguration der ersten 36 Elemente 45

46 Das moderne PSE Das moderne Periodensystem, in dem die Elemente in numerischer Reihenfolge der Anzahl ihrer Protonen (und Elektronen) angeordnet sind. Einteilung in Gruppen fasst Elemente mit der gleichen Anzahl an Valenzelektronen in der gleichen vertikale Spalte zusammen. Gruppen werden mit Nummern von 1-18 gekennzeichnet. Reihen innerhalb des Periodensystems werden Perioden genannt. 46

47 Das moderne PSE 47

48 Das moderne PSE - Gruppen Ordnet man die Elemente mit Zunehmender Kernladungszahl (Ordnungszahl) erhält man das Periodensystem der Elemente (PSE). Chemisch ähnliche ( verwandte ) Elemente Werden dabei in Gruppen zusammengefasst. In einer Gruppe haben alle Atome die gleiche Valenzelektronenkonfiguration. 48

49 Das moderne PSE - Perioden Durch das Ordnen nach steigender Kernladungszahl entstehen die Perioden. Eine Periode endet, wenn die äußere Elektronenschale vollständig mit Elektronen besetzt ist. (Oktettregel) 49

50 Metallischer und nichtmetallischer Charakter 50

51 Metallischer und nichtmetallischer Charakter 51

52 Ionisiserungsenergien für Metalle der dritten Periode 52

53 Elektronenaffinität 53

54 Bindungsarten 54

55 Elementarzelle des NaCl Zwei Darstellungen der Elementarzelle des NaCl: (a) zeigt eine raumerfüllende Darstellung, und (b) ein Kugel-Stab-Modell. Die Cl--Ionen sind grün und die Na+-Ionen violett dargestellt. Es existieren vier verschiedene Typen von Gitterplätzen in der Elementarzelle: im Zentrum, auf den Seitenflächen, den Kantenmitten und den Ecken 55

56 Ionenradien (in pm) 56

57 Atom- und Ionenradien (in pm) 57

58 Radienquotient und Koordinationszahl 58

59 Elementarzelle des CsCl (a) Die Elementarzelle des CsCl; Cs+-Ionen sind gelb und Cl--Ionen grün dargestellt. Die Elementarzelle könnte ebefalls mit dem Cs+-Ion im Zentrum dargestellt werden. Die Elementarzelle wird durch die gelben Linien definiert. (b) Das CsCl-Gitters lässt sich auch in Form von interpenetrierenden kubischen Einheiten von Cs+- und Cl--Ionen beschreiben. 59

60 Grenzstrukturen des Karbonat-Ions 60

61 Orbitalenergie und Elektronegativität 61

62 Elektronegativitäten 62

63 Anordnung von Punkten/Liganden auf Kugeloberfläche 63

64 Kombinationen von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen pos. Überlappung s-bindung neg. Überlappung pos. Überlappung pos. Überlappung p-bindung neg. Überlappung Überlappung aus Symmetriegründen Null (S = 0) 64

65 Bildung von sp 3 Hybridorbitalen ein s-orbital und drei p-orbitale bilden vier sp 3 -Hybridorbitale 65

66 Räumliche Struktur des Methanmoleküls 66

67 sp 3 Hybridorbitale in NH 3 und H 2 O 67

68 s und p Bindungsenergien 68

69 Bildung einer Doppelbindung in Ethenmolekül 69

70 Orbitaldarstellung des Ethanmoleküls 70

71 Orbitalwechselwirkungsdiagramme für He 2 und Li 2 71

72 Orbitalwechselwirkungsdiagramm für die Bildung von X 2 72

73 Bindungseigenschaften einiger zweiatomiger Moleküle 73

74 Veränderungen der MO Energien zweiatomiger Moleküle 74

75 Wasserstoffbrückenbindungen Festkörperstruktur von HF besteht aus Zickzack-Ketten. K + 75

76 Wasserstoffbrückenbindungen Änderung der Dichte des Wassers mit der Temperatur Wasser-Eis besteht aus einem dreidimensionalem Netzwerk von H2O-Molekülen 76

77 Wasserstoffbrückenbindungen 77

78 Elektronengasmodell Schematische Darstellung des Elektronengasmodells der Elektronenstruktur von Metallen. Jede Kugel ist ein positiv geladenes Metall-Ion. 78

79 Elektronengasmodell Beim Anlegen einer Spannung wandern die frei verschiebbaren Elektronen zum pos. Pol; der neg. Pol liefert Elektronen nach. 79

80 Elektronengasmodell Die Gitterebenen lassen sich leicht gegeneinander verschieben, weil das Metallgitter aus lauter gleichen Bausteinen (pos. Ionen) besteht! 80

81 Metallischer Wasserstoff 81

82 Gruppe 14 Elemente: C, Si, Ge, Sn, Pb Die Struktur von Kohlenstoff (Diamant), Silizium, Germanium und α-zinn. Nur die Bindungslängen unterscheiden sich: C-C (154 pm) Si-Si (235 pm) Ge-Ge (245 pm) Sn-Sn (281 pm) 82

83 Struktur von Graphit Schichtstuktur von Graphit Sicht von oben zeigt, wie die Schichten gestapelt sind 83

84 Bandtrukturen von Metallen, Leitern und Nichtleitern Die relativen Energien besetzter und unbesetzter Bänder (a) eines Nichtleiters, (b) eines Metalls mit nur teilweise besetztem unterem Band, (c) eines Metalls mit überlappendem besetztem und unbesetztem Band, und (d) eines Halbleiters. 84

85 Dotierung von Graphit Struktur von C 8 K Struktur von C 8 K Sicht von oben 85

86 Widerstände in einigen Feststoffen Spez. Widerstand / Ω m Diamant Graphit in der C-C Schicht senkrecht zur C-C Schicht C 8 K in der C-C Schicht senkrecht zur C-C Schicht C 8 Br typisches Metall (Nickel) 86

87 87

88 Lösungsenthalpien und Ladung 88

89 Solvatisierung 89

90 Lösungsenthalpien und Orbitalenergien 90

91 Amphoterie 91

92 Neutralisation 92

93 pk S -Werte einiger Säure-Base-Paare bei 25 C (pk S = - lg K S ) 93

94 pk S -Werte und pk B -Werte 94