Grundlagen der Allgemeinen und Anorganischen Chemie. Atome. Chemische Reaktionen. Verbindungen

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1 Grundlagen der Allgemeinen und Anorganischen Chemie Atome Elemente Chemische Reaktionen Energie Verbindungen 284

2 4. Chemische Reaktionen 4.1. Allgemeine Grundlagen (Wiederholung) 4.2. Energieumsätze chemischer Reaktionen (Grundbegriffe der Thermodynamik) 4.3. Chemisches Gleichgewicht 4.4. Anwendungen 5. Die chemische Bindung 5.1. Ionenbindung 5.2. Atombindung 5.3. Metallbindung 285

3 Chemische Bindungen (Übersicht) Atome Chemische Bindung Atombindung Ionenbindung Metallbindung Zwischenmolekulare Kräfte Moleküle Wasserstoffbrückenbindung Makromoleküle van der Waals- Bindung intramolekular intermolekular flüchtige Stoffe makromolekulare Stoffe diamantartige Stoffe salzartige Stoffe metallische Stoffe Molekülgitter Atomgitter Ionengitter Metallgitter Molekülgitter 286

4 Stellung der Metalle im PSE Hauptgruppen Nebengruppen Hauptgruppen 1 2 Ia 1 H Li IIa 2 Be IIIb 3 IVb 4 Vb 5 VIb 6 VII b 7 Nichtmetalle Metalle VIIIb Ib 11 IIb 12 IIIa 13 IVa 14 Va 15 VIa 16 VIIa 17 VIII a He 18 B C N O F Ne 3 Ba Mg Halbmetalle Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra Ac* Rf Db Sg Bh Hs Mt Lanthanoide Actinoide * * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 287

5 Metalle Pb - Rohre Al - Barren Bild: I.Paech, TU DD Cu - Blech hochreines Eisenstück (99,97%ige Reinheit) Bild: Von Tomihahndorf - Foto aus meiner Elementesammlung, CC BY-SA

6 Metallbindung K L M K L M Na + Na Na 2??? L K M K L M Mg + Mg Mg 2??? zwei Theorien: 1. Elektronengas - Modell 2. Energie- Bänder- Modell 289

7 Elektronengas - Modell Auf Metallgitterplätzen befinden sich positive Metallionenrümpfe, zwischen denen sich die Elektronen als freibewegliches Elektronengas ungerichtete elektrostatische Anziehungskräfte Ionenrumpf Elektron 290

8 Elektronengas Modell: Jelly - Modell + + e - Jelly (Gelee)- Modell ges/catalog/ jpg e

9 Energiebänder-Modell Metalldampf Metallkristall dichte Folge gleicher Energiezustände Atomorbital Energieband der Atomorbitale im Metallkristall 292

10 Besetzung der Energiebänder z. B. Lithium E 2p 2s 2p-Band leer 2s-Band halb besetzt 1s 1s-Band voll besetzt z. B. Beryllium E 2p 2s 2p-Band leer 2s-Band voll besetzt 1s 1s-Band voll besetzt 293

11 Leiter, Halbleiter, Isolatoren E E halbgefüllt Leitungsband Valenzband Leitungsband verbotene Zone Valenzband gefüllt E Leiter (Metall) Überlappung von Leitungsund Valenzband, keine verbotene Zone E Eigenhalbleiter (Si) schmale verbotene Zone kann z.b. durch Temperaturerhöhung überwunden werden Isolator (Diamant) breite verbotene Zone kann nicht überwunden werden 294

12 Leiter, Halbleiter, Isolatoren Kohlenstoff = Diamant Kovalente Bindung: keine Wechselwirkung mit höheren, unbesetzten Orbitalen => keine Überlappung von Valenz- und Leitungsband Isolator 295

13 Leiter, Halbleiter, Isolatoren Silizium = Diamant-Typ Kovalente Bindung: geringe Wechselwirkung mit höheren, unbesetzten Orbitalen => keine Überlappung von Valenz- und Leitungsband Halbleiter 296

14 Elektrische Leitfähigkeit Metall Halbleiter Leitfähigkeit σ /10 6 Sm T /K T /K 10 Leitfähigkeit σ /10-3 Sm

15 Kugelpackung in Metallen Atome = starre Kugeln ungerichtete Anziehungskräfte dichteste Kugelpackungen dichteste Packung in einer Schicht: hexagonale Anordnung jede Kugel hat 6 Nachbarn zwischen Kugeln verbleiben 6 Lücken 298

16 Kugelpackung in Metallen dichteste Packung in zweiter Schicht: hexagonale Anordnung zwei Möglichkeiten 299

17 Kugelpackung in Metallen dichteste Packung in dritter Schicht Schichtfolgen: ABAB ABCABC 300

18 Kugelpackung in Metallen dichteste Packung in dritter Schicht ABCABC Cu-Typ (fcc) 301

19 Kugelpackung in Metallen Cu-Typ (fcc) 302

20 Kugelpackung in Metallen Mg-Typ (hcp) 303

21 Kugelpackung in Metallen W-Typ (bcc) 304

22 Eigenschaften von Metallen gerichtete Bewegung des Elektronengases gute elektrische und thermische Leitfähigkeit 305

23 Eigenschaften von Metallen gerichtete Bewegung des Elektronengases gute elektrische und thermische Leitfähigkeit 100 elektr. Leitfähigkeit σ /Ω -1 m Cu Ag Au Sc Y La Ordnungszahl Z 306

24 Eigenschaften von Metallen gerichtete Bewegung des Elektronengases gute elektrische und thermische Leitfähigkeit Absorption und Reflexion von Licht aller Wellenlängen metallischer Glanz Undurchsichtigkeit kaum Strahlungsdurchlässigkeit Verschiebbarkeit der Gleitebenen gute mechanische Verformbarkeit (Duktilität) hohe Dichte 307

25 Plastische Verformbarkeit: Vergleich Metall - Ionenkristall Metalle Ionenkristalle Bindungskräfte bleiben erhalten gute mechanische Verformbarkeit hohe Dichte es wirken Abstoßungskräfte Sprödigkeit 308

26 Abhängigkeit der Verformbarkeit von der Anzahl der Gleitebenen kubisch-dichteste Packung (kubisch-flächenzentriert 74% Raumausfüllung) kubisch- raumzentriertes hexagonal-dichteste Gitter Packung (68% Raumausfüllung) (74% Raumausfüllung) Schichtfolge: ABC ABC AB AB Verformbarkeit 309

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