Konzepte der anorganischen und analytischen Chemie II II

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1 Konzepte der anorganischen und analytischen Chemie II II Marc H. Prosenc Inst. für Anorganische und Angewandte Chemie Tel:

2 Outline Einführung in die Chemie fester Stoffe Grundstrukturtypen Einführung in die Elektronenstruktur von Molekülen (Chemische Bindung) Bindungskonzepte im PSE (Trends) Elektronenstruktur in Festkörpern Literatur (Riedel, Brown-LeMay)

3 Begriffe Chemie: Lehre von den Stoffen und Materialien und deren Umwandlungen. Sie befasst sich mit der Charakterisierung von Stoffen. Einteilung der Stoffe nach ihren Eigenschaften: z. B. Metalle, Metametalle, Halbmetalle und Nichtmetalle farbige und nicht farbige Stoffe Salze und Moleküle Moleküle und Polymere oder

4 Begriffe Aggregatzustände: fest, flüssig, gasförmig Die Bausteine eines Stoffes werden durch Kräfte zusammengehalten. Im festen Zustand sind die Bausteine fixiert, in Flüssigkeiten nur noch in losem Kontakt, während sie sich in Gasen frei bewegen. (Das Volumen muß sich nicht ändern) Der feste Zustand, die Bausteine: Atome: z. B. festes Ar (-189 o C), Metalle Moleküle: Trockeneis (festes CO 2 ; -78 o C) Salze: NaCl (Na + Cl - einatomige Ionen) (NH 4 ) 2 SO 4 (2 NH 4+ SO 2-4 mehratomige Ionen)

5 Intramolekulare Bindungen

6 Dispersion- Van der Waalskräfte

7 Zustände

8 Siedepunkte

9 Begriffe Kristall (kristallin; griech. Krystallos = Eis): Dreidimensionaler geordneter Aufbau eines festen Stoffes aus seinen Bausteinen (Atome, Moleküle oder Ionen) Amorpher Feststoff: Fester Stoff, in dem die Bausteine nicht zu einem regelmäßigen Muster angeordnet sind Polymorphie: Auftreten unterschiedlicher Kristallstrukturen einer festen Substanz Flüssigkristalle: Flüssigkeiten mit einer partiellen, kristallähnlichen Ordnung (bestimmter Temperaturbereich).

10 Begriffe Kenntnis der Strukturen fester Substanzen ist wichtig! z. B. Kohlenstoff (C); Materialeigenschaften: C Diamant C Graphit Dichte: g/cm 3 Dichte: 2.26 g/cm 3 sehr hart (härteste natürliche Stoff) farblos nicht leitend stark lichtbrechend sehr hohe Wärmeleitfähigkeit glänzend Umwandlung zu Graphit bei 1500 o C fettig, Schmiermittel grau gute elekt. Leitfähigkeit metallisch glänzend Smpk o C (bei 127 bar)

11 Begriffe Bindungsverhältnisse: Diamant: Raumnetzstruktur Graphit: Schichtstruktur C-C-Bindung: pm sp 3 -Hybridisierung C-C-Bindung: pm sp 2 -Hybridisierung (arom.)

12 Begriffe Stukturen im Festkörper: Hexagonaler Diamant (ABAB...) Hexagonaler Graphit (ABAB...) A B A B

13 Begriffe Kenntnis der Strukturen fester Substanzen ist wichtig! Zweites Beispiel: Zinn (Sn) α-sn β-sn unterhalb 13 o C oberhalb 13 o C grau weiß halbmetallisch metallisch Halbleiter elektische Leitfähigkeit kubisches Diamantgitter verzerrt dichteste Sn-Atompack. tetragonales Gitter Dichte: g/cm3 Dichte: g/cm3 KZ: 4 KZ: 6 Sn-Sn: pm Sn-Sn: pm (4x) pm (2x)

14 Begriffe Kenntnis der Strukturen fester Substanzen ist wichtig! Zweites Beispiel: Zinn (Sn) Die Kristallstruktur kann auch die chemischen Eigenschaften wesentlich beeinflussen Weißes Zinn + konz. HCl = Sn(II)-chlorid Graues Zinn + konz. HCl = Sn(IV)-chlorid

15 Physikalische Messmethoden zur Strukturaufklärung Woher kenne ich die Struktur? (Elastische und inelastische Streuung) Röntgenbeugung Neutronenbeugung Schwingungsspektroskopie (Infrarot- und Raman-Spektroskopie) Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie) Photoelektronenspektroskopie Mikrowellen-Spektroskopie Elektronenbeugung Elektronenmikroskopie Rastertunnelmikroskopie Massenspektroskopie

16 Begriffe Röntgenbeugung: Untersuchungsmethode von kristalliner Materie mittels Röntgenstrahlung (allgemein) Einkristall(Röntgen)strukturanalyse: Verfahren der Strukturbestimmung an Einkristallen (Einkristallverfahren; Einkristalldiffraktometrie) oder Verfahren der Strukturbestimmung an mikrokristallinen Pulvern (Pulververfahren; Pulverdiffraktometrie) Kristallographie: Lehre von den Kristallen

17 Einkristallstrukturanalyse: Was ist ein Gitter? Periodische Anordnung von Motiven (hier zweidimensional) Gitter

18 Röntgenstrukturanalyse: Was ist ein Gitter? Periodische Anordnung von Motiven (hier zweidimensional)

19 Einkristallstrukturanalyse: Was ist ein Gitter? Kristallgitter Durch einen Ionenkristall lassen sich in jedem Falle Netze aus drei räumlich unterschiedlich orientierten- Scharen paralleler Geraden in der Weise legen, daß sich jeweils drei Geraden verschiedener Scharen in einem Punkt, nämlich dem Gitterpunkt, schneiden.

20 Einkristallstrukturanalyse: Was ist ein Gitter? Die dreidimensionale regelmäßige Wiederholung eines Motives (Gitterpunkt) führt zu einem Raumgitter oder Kristallgitter (Aufbau eines Kristalls). Die Metrik einer Elementarzelle (kleinste geometrische Einheit (Masche) eines Kristallgitters (Translationsgitters)) Gitterabstände: a, b, c Gitterwinkel: α, β, γ

21 Die sieben Kristallsysteme und die Restriktionen in ihrer Metrik Gitter- Winkel: konstanten: Triklin keine keine Monoklin keine α = 90 o γ = 90 o Orthorhombisch keine α = 90 o β = 90 o γ = 90 o Tetragonal a = b α = 90 o β = 90 o γ = 90 o Trigonal a = b α = 90 o β = 90 o γ = 120 o Hexagonal a = b α = 90 o β = 90 o γ = 120 o Kubisch a = b = c α = 90 o β = 90 o γ = 90 o

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