Bindungslehre. Inhalte

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1 Bindungslehre Prof. Dr. S. Prys Chemie by ms Inhalte 1. Aggregatzustände und Phasen 2. Physikalische und chemische Wechselwirkungen 3. Kristalline Festkörper 4. Amorphe Festkörper 5. Flüssigkristalle 6. Polymere 7. erstellung von Si-Wafern 1

2 1 Aggregatzustände und Phasen Fest Flüssig Gasförmig Geordnete Teilchenbewegung ungeordnete Teilchenbewegung 1.2 Aggregatzustände Bose-Einstein-Kontinuum fest schmelzen verfestigen flüssig fest sublimieren resublimieren gasförmig flüssig verdampfen kondensieren gasförmig gasförmig ionisieren plasmatisch 2

3 1.2.1 Eigenschaften der Aggregatzustände Gas - Unordnung Geringe Dichte ohe Kompressibilität Sehr geringer Formänderungswiderstand Sehr geringe Wärmeleitfähigkeit Flüssigkeit - Nahordnung Mittlere bis hohe Dichte Geringe Kompressibilität Geringer Formänderungswiderstand Geringe Wärmeleitfähigkeit Festkörper - Fernordnung Mittlere bis hohe Dichte Geringe Kompressibilität oher Formänderungswiderstand Geringe bis hohe Wärmeleitfähigkeit 1.3 Phasendefinition Thermodynamische Phase = Materiebereich mit gleichen Eigenschaften Physikalische Eigenschaften Dichte, Farbe, Oberflächenglanz, ärte, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Magnetisierbarkeit, Schmelztemperatur, Siedetemperatur, Erweichungsbereich, Verformbarkeit, optische Aktivität Chemische Eigenschaften Brennbarkeit, Löslichkeit, Verhalten gegenüber verschiedenen Chemikalien, Verhalten beim Erhitzen 3

4 1.3.1 Phasenarten omogene Phasen Aggregatzustände eines reinen Stoffes (z.b. Wasser) omogene Mehrphasensysteme Verschiedene Aggregatzustände eines reinen Stoffes (z.b. Wasser / Eis) eterogene Phasen Verschiedener Stoffe, die sich nicht mischen (z.b. Wasser / Öl) im selben Aggregatzustand eterogene Mehrphasensysteme Verschiedener Stoffe, die sich nicht mischen (z.b. Wasser / olz) in verschiedenen Aggregatzuständen Phasendiagramm Kritischer Punkt Flüssig omogenes Phasendiagramm 2 O Tripelpunkt 3 Phasen koexistent bar K p [bar] 10-2 Fest Tripelpunkt Kritischer Punkt Dichte Wasserdampf = Dichte Wasser 10-4 Dampfförmig T [ C] 4

5 1.3.3 Stoffbegriff - Eigenschaften Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften: Metalle... leiten elektrischen Strom und Wärme gut, sind leicht verformbar, haben im reinen Zustand Oberflächenglanz (erscheinen aber im feinverteilten Zustand schwarz)... Nichtmetalle... leiten den elektrischen Strom schlecht... Salzartige Stoffe... haben hohe Schmelz- und Siedetemperaturen, leiten als Schmelzen oder Lösungen den elektrischen Strom, sind spröde aber spaltbar... Leichtflüchtige Stoffe... haben niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen,... Makromolekulare Stoffe... haben oft hohe Schmelz- und Siedepunkte, zersetzen sich aber meist schon bei niedrigeren Temperaturen (Beispiele: Kunststoffe, Proteine, Polysaccharide, DNA) Stoffbegriff - GefStoffV 1 Reinstoffe sind einheitlich zusammengesetzt und mit physikalischen Methoden nicht in Bestandteile auftrennbar (Verbindungen oder Elemente). 2 Zubereitungen sind aus mindestens zwei oder mehreren Stoffen bestehende Gemenge, Gemische oder Lösungen 3 Mischungen von Stoffen entstehen wenn Flüssigkeiten mit anderen Flüssigkeiten oder Feststoffen vermischt werden, ohne dass dabei chemische Reaktionen oder Wärmetönungen auftreten 4 Gemenge sind ungeordnete Gemische von beliebigen Reinstoffen in ihrer festen Form 5 Legierungen sind Gemenge aus zwei oder mehr Metallen 6 Lösungen zeigen bei Ihrer erstellung häufig Wärmetönungen 7 Dispersionen sind Gemenge aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden 8 Emulsionen bestehen aus mindestens zwei miteinander nicht mischbare Flüssigkeiten 5

6 1.3.5 Stoffbegriff - Verbindungen Chemisches Element Unter einem chemischen Element versteht man einen Stoff, der sich chemisch nicht mehr weiter in andere Stoffe zerlegen lässt und der aus Atomen mit gleichen chemischen Eigenschaften aufgebaut ist. Chemische Verbindung Unter einer chemischen Verbindung versteht man einen Stoff, der aus Atomen mehrerer verschiedener Elemente besteht und einheitliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie z.b. Schmelz- und Siedepunkt aufweist. 2 Physikalische und chemische Wechselwirkungen Physikalische Wechselwirkungen Moleküle Intermolekulare Wechselwirkungen Festkörper, Flüssigkeiten (elektrostatisches Potenzial, Ladungsausgleich) Chemische Wechselwirkungen Atome Interatomare Wechselwirkungen Moleküle (chemisches Potenzial, Streben nach Edelgaskonfiguration) 6

7 2.1 Wechselwirkungsarten Chemische Bindungen (auptbindungsarten) aufgefüllte Elektronenschalen Atombindung kj / mol Ionenbindung bis einige 100 kj / mol Metallbindung Komplexbindung Physikalische Wechselwirkungen (Nebenbindungsarten) elektrostatische Wechselwirkungen Van der Waals-Bindung 0,8-8,5 kj / mol Dipol-Dipolbindung 4-25 kj / mol Ion-Dipol-Wechselwirkung kj / mol Wasserstoffbrückenbindung 8-42 kj / mol Chemische Bindungen homöopolare Bindung = Atombindung gleichmäßige Aufteilung von Elektronen ähnliche Elektronegativitäten heteropolare Bindung = Ionenbindung ungleichmäßige Aufteilung von Elektronen stark unterschiedliche Elektronegativitäten Elektronenmangelbindung = Metallbindung Allseitiger Mangel an Elektronen 7

8 2.2 Atombindungen Chemische Wechselwirkungen Atome Interatomare Wechselwirkungen Moleküle (chemisches Potenzial, Streben nach Edelgaskonfiguration) verschiedene Modelle: Elektronenpaarschreibweise Visualisierung der Nutzungsrechte Elektronenpaarabstoßungsmodell Visualisierung der Molekülgeometrie in 3D VB- und MO- Methode Berechnung von Energiezuständen und Geometrieeigenschaften Welches sind die Elektronenkonfigurationen? N O F 8

9 Elektronenpaarschreibweise Elektronenpaare werden als Striche angegeben bindende Elektronenpaare nichtbindende Elektronenpaare Einzelne Elektronen werden als Punkte angegeben : : F F F F O O O O N N N N = M M F O N Elektronenpaarabstoßungsmodell Elektronenpaare = Raumladungswolken symbolisiert in der Elektronenpaarschreibweise Elektronenpaarabstoßung COULOMB-Abstoßung zwischen Elektronenpaaren maximales Ausweichen maximale Raumausfüllung

10 Bindungspartner Bei Einfach- und Doppelbindungen! AB 2, z.b. CO 2 2-wertig linear Bindungspartner AB 3, z.b. BF 3 3-wertig trigonal 120 AB 4, z.b. C 4, Si 4 4-wertig tetragonal 109,5 10

11 Bindungspartner AB 5, z.b. PF 5 5-wertig trigonal bipyramidal AB 6, z.b. SF 6 6-wertig oktaedrisch MO- Methode Molecular Orbital Theory Molekülorbitaltheorie Überlappung von Atomorbitalen führt zu Molekülorbitalen, die als Elektronenwolken dargestellt werden können Elektronenkonfiguration : 1s 1 2 s 1 s 1 σ 2 AO AO MO 11

12 Atomorbitale s p x p y p z d z 2 d x 2 -y 2 d xy d yz d xz σ - Bindungen Rotationssymmetrische Molekülorbitale s 1 s 1 σ 2 AO AO MO s-s σ-bindungen z.b. 2 (E = kj / mol) s 1 p 1 σ 2 s-p σ-bindungen z.b. Cl (E = kj / mol) p 1 AO AO MO p 1 σ 2 p-p σ-bindungen z.b. Cl 2 (E = kj / mol) AO AO MO 12

13 2.2.6 π - Bindungen Nicht-Rotationssymmetrische Molekülorbitale z z y π x π AO AO MO y π x π AO AO MO p-p π-bindungen Das Wasserstoffmolekül 2 E Darstellung im Energieschema Darstellung als Orbitale Elektronenkonfiguration : 1s 1 2 : σ 2 AO : 1s : 1s AO s 1 s 1 σ 2 2 : σ MO AO AO MO AO = Atomorbital, MO = Molekülorbital 13

14 Das Stickstoffmolekül N 2 Darstellung im Energieschema E σ x π y π z p z p y p x π y π z p x p y p z N N (E = kj / mol) σ x σ s σ s N 2 N: s 2 p 3 N: s 2 p 3 AO MO AO Das Sauerstoffmolekül O 2 Darstellung im Energieschema E σ x π y π z p z p y p x π y π z p x p y p z O=O (E = kj / mol) σ x σ s σ s O 2 O: s 2 p 4 O: s 2 p 4 AO MO AO 14

15 Das Kohlenstoffatom C Elektronenkonfiguration: C: 2s C: 2p x 2p y 2p z 1s 2 2s 2 2p 2 IV auptgruppe C: 1s 4 wertig sp 3 - hybridisierte Orbitale E Elektronenkonfiguration: 1s 2 2s 2 2p 2 (sp 3 ) 4 IV auptgruppe 4 wertig (sp 3 ) C: 2(sp 3 ) 2 ( sp 3 ) 2 ( sp 3 ) 2 ( sp 3 ) C: 1s Elektronenpaarabstoßungsmodell 15

16 C-C Einfachbindungen Es bildet sich eine σ-bindung aus, z.b. C Kohlenwasserstoffe Methan Ethan Propan Ethan Propan Butan Pentan exan eptan 16

17 KW - Modelle Methan: C 3 - E = kj / mol Schmp: - 182,5 C Sdp: C Erdgas Ethan: 3 C-C 3 E = kj / mol Schmp: C Sdp: - 88,6 C antelmodell Kalottenmodell KW = Kohlenwasserstoffe C = hydro carbons sp 2 - hybridisierte Orbitale E Elektronenkonfiguration: 1s 2 2s 2 2p 2 (sp 2 ) 3 p 1 C: 2(sp 2 ) 2 ( sp 2 ) 2 ( sp 2 ) 2p C (sp 2 ) C: 1s Elektronenpaarabstoßungsmodell 17

18 C=C Doppelbindungen C C C C Es bildet sich eine σ- und eine π-bindung aus, z.b. C 2 4 Ethen, Ethylen 2 C = C 2 E CC = kj / mol sp - hybridisierte Orbitale E Elektronenkonfiguration: 1s 2 2s 2 2p 2 (sp) 2 p 2 C: 2(sp) 2 ( sp ) 2p 2p C (sp) C: 1s Elektronenpaarabstoßungsmodell 18

19 C C Dreifachbindungen C C C C Es bildet sich eine σ- und zwei π-bindungen aus, z.b. C 2 2 Acetylen, Ethin -C C- E = kj / mol Resonanz Oktette nicht aufteilbar Partielle Überschussladungen Schwingen zwischen Grenzformen! Andere Bezeichnung: Mesomerie O O O - - O O O 19

20 Beispiele Salzsäure Wasser Ammoniak Methan Diamant Gitterstruktur und chemische Bindung bedingen Werkstoffeigenschaften! Diamant Extrem hart (Ritzen von Glas) Kubisches Gitter Alle C-Atome in σ-bindungen gewellte Schichten im Raumnetz Verschiedene Farben schmilzt bei ca C ρ = 3,150 bis 3,513 g/cm 3 Wärmeleitfähigkeit gut albleiter bis Isolator Löst sich schlecht in Metallschmelzen Diamant Graphit 1,897 kj 20

21 Graphit Gitterstruktur und chemische Bindung bedingen Werkstoffeigenschaften! Graphit Weich, spaltbar > 2500 C plastisch verformbar exagonale Kristallstruktur Schichtstruktur Alpha-Modifikation ABABAB Beta-Modifikation ABCABCABC Zwischen Schichten π-bindungen Schwarze Farbe amorpher Graphit: ρ = 1,8 bis 2,1 g/cm 3, kristalliner Graphit ρ = 1,9 bis 2,3 g/cm 3. Wärmeleitfähigkeit schlecht Elektrische Leitfähigkeit vorhanden Löst sich gut in Metallschmelzen Graphitanwendungen Erhitzen von Steinkohle Koks Kohleelektroden, Schmiermittel Unvollständige Verbrennung Ruß besonders geringe Dichte: 1,85 g / cm 3 Schwärzungsmittel Zusatzstoff für Autoreifen Sinterfreie Verkohlung Aktivkohle Verkohlen von Thermoplaste C - Fasern Verkohlen von Duroplaste C - Glas Verkohlen von geschäumten Kunststoffen C - Schaum 21

22 Fullerene Fullerene beliebige Rotationen möglich! Fußballmolekül C Doppelbindungen kristallin, geringe ärte Zerfall oberhalb 1000 C Elektronenstruktur zwischen Graphit und Diamant albleiter, Aufnahme von bis zu 6 Elektronen absorbiert Licht Diamantstrukturen Diamantgittertyp ärte (Mohs) C (Diamant) 10 Si 6,5 Ge 6 ZnS 3,5-4 Diamant Si Polykristall Ge Mineral ZnS Mineral, Quelle: 22

23 2.3 Ionenbindungen Metalle reagieren mit Nichtmetallen zu Salzen! Na Na Cl Br Na Na Cl Br volle Schalen! Ionen Fr F Fr F Ionenwechselwirkung Elektrostatische Wechselwirkungen Ladungen wirken allseitig regelmäßige Anordnung Kristallgitter Kation Anion 23

24 2.3.2 Ionengitter von Kochsalz Cl - Na Gitterenergie Gitterenergie Die Energie, die frei wird, wenn sich aus gasförmigen Ionen ein Ionengitter bildet, bezeichnet man als Gitterenergie z.b. Na (g) und Cl - (g) 24

25 Gitterenergie von NaCl & NaBr E Gitter = E Kat/An - (E Kat E An ) Eigenschaften von NaCl und NaBr Farbe: farblos bis weiß farblos bis gelblich löslich in Wasser (Na,Cl - ) (Na,Br - ) Schmelzpunkt: 808 C 747 C Siedepunkt: 1465 C (NaCl (g) ) 1393 C Gitterenergie: 766 kj / mol 737 kj / mol 2.4 Metallbindungen Metalleigenschaften Keine Edelgasstruktur Aufteilen aller Elektronen: "Elektronengas" geringe Ionisierungsenergie relativ große Atomradien elektrische Leitfähigkeit Elektronen Metallionen 25

26 2.4.1 Einteilung der Metalle Dichte Leichtmetalle Schwermetalle ρ < 4-5 g/cm 3 ρ > 4-5 g/cm 3 elektrochemische Spannungsreihe leicht oxidierbar: schwer oxidierbar unedle Metalle edle Metalle 2.5 Komplexbindungen Koordinationsbindung Zentralteilchen Liganden Zentralteilchen: Metallatom oder ion (Elektronenpaarakzeptor) Liganden: Moleküle oder Ionen (Elektronenpaardonator) äufig farbige Komplexverbindungen, z.b.: CuSO 4 2 O [Cu( 2 O) 6 ] 2 SO 4 2- Weiss Blau kationische Zentralionen: Cu 2, Mg 2, Fe 2, Fe 3, Ni 2 neutrale Zentralatome: Fe 0, Cr 0, Ni 0 Liganden: anorganische Liganden: organische Liganden: Anionen: Cl, CN, SCN, Triphosphate neutral: 2 O, N 3, CO, NO Kationen: NO Porphin-Ringsystem (z. B. Chlorophyll, ämoglobin), einige Polycyclen (z.b. Alizarin, 8-ydroxychinolin), Tartrate, Ethylendiamin, Pyridin, EDTA ( Titriplex ), NTA 26

27 2.6 Übergangsformen zwischen Bindungsarten Atombindung Dipole Ionenbindung Atombindung albleiter Metallbindung 2.7 Dipole δ - δ Chlorwasserstoff Cl EN = 2.1 Cl EN = 3.0 Elektrische Dipole: Elektronegativitätsdifferenz negative und positive Partialladungen fallen nicht zusammen Polarisierung des Moleküls Entstehung von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen 27

28 2.7.1 Beispiele Wasser 2 O Kohlendioxid CO 2 δ δ δ δ δ δ O C O Starker Dipol kein Dipol! Dipol-Dipol-Kräfte Dipol-Dipol-Bindungen (z.b. 2 O E D-D ~ 8 % E kov ) EN > 0,5 1,4 schwächer als Wasserstoffbrückenbindungen Stärker als van-der Waals-Kräfte 28

29 2.7.3 Ion-Dipol-Kräfte Ion-Dipol-Bindungen (z.b. NaCl in 2 O) ydratation Kation Anion 2.8 Van der Waals-Kräfte induzierte Dipole schwache zwischenmolekulare Kräfte (E vdw ~ 1/100 E kov ) nehmen mit steigender Polarisierbarkeit zu e (g) e (fl) Ursache fuer die Verfluessigung von e! 29

30 2.9 Das Bändermodell für albleiter E Leitungsband Valenzband Bandlücke ev Bandlücke > 3 ev Leiter albleiter Nichtleiter Leitfähigkeit ~ 1/T Leitfähigkeit ~ T albleiterbindung und Atombindung E Leitungsband 1σ 1s 1s Valenzband 1σ 30

31 2.9.2 albleiter Dotierung negative Ladung n Dotierung positive Ladung p - Dotierung Bändermodell dotiert E E E Leitungsband Leitungsband Leitungsband < 3 ev Valenzband Valenzband Valenzband n - type p - type 31

32 2.9.4 Die Bandlücke Eigenleitung (ohne Dotierung) nur bei höheren Temperaturen Störstellenleitung n Dotierung (5 / 4), Elektronenleitung, Donatoren p Dotierung (3 / 4), Löcherleitung, Akzeptoren Bandlücken: Si 1,12 ev Ge 0,72 ev Mikroelektronik Integrierte Schaltung Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen Signalprozessoren, Mikroprozessoren Wafer Photolithographische Verfahren Weitere Miniaturisierung: Nanoelektronik Bauelemente durch wenige Atome oder Moleküle realisiert 32

33 2.9.6 Der pn-übergang ohne äußeren Stromfluss P n Stromfluss bis Ferminiveaus von p- und n-leiter ausgeglichen Ferminiveau gibt an, bis zu welcher Energie alle Zustände (am absoluten Nullpunkt, null Kelvin) besetzt sind. Es liegt in der Bandlücke Der pn-übergang äußerer Strom - Sperrrichtung - P n Sperrbereich, kein Stromfluss Diode: griech.: dis zweifach; hodos Weg einfachstes albleiterbauelement 33

34 2.9.8 Der pn-übergang äußerer Strom - Durchlassrichtung - P n Stromfluss für Gleichstrom Anwendung Diode: Gleichrichter, Wechselströme in Gleichströme umwandeln Dioden Foto einer Auswahl von Dioden, ganz links: Brückengleichrichter speziellen albleiterdioden für unterschiedliche Einsatzzwecke: LED, Laserdiode, Zener-Dioden, Photodioden / Solarzellen Schottky-Dioden, Kapazitätsdioden oder Varaktoren Tunnel-Dioden, Supressordioden, Vierschichtdiode Thyristor, Avalanchediode, Lawinenphotodiode 34

35 3 Kristalline Festkörper < 5 % amorph Gläser Keramik Kunststoffe > 95 % kristallin Monokristalle Polykristalle Nahordnung, hohe Viskosität Fernordnung 3.1 Kristalline Substanzen Elektronenkonfiguration Bindungsart Festkörpertyp Metallkristalle (z.b. Au, Ag) - Metallbindung Salzkristalle (z.b. NaCl) - Ionenbindung Nichtmetallkristalle /Molekülkristalle - Atombindung (z.b. Si, C ) - Elektrostatische Kräfte (z.b. S 8 ) - Elektrostatische Kräfte (z.b. 2 O 35

36 3.2 Kristallmodelle Räumlich wiederkehrende Atomanordnung Darstellbar durch Elementarzellen antelmodell Kugelmodell Kristalliner Schwefel Schwefelkristalle Inter - molekular Intra - molekular 36

37 NaCl Kristall Ionenkristall Symmetrie Gitterebenen Ebenen höchster Atomdichte bestimmen die Kristallflächen NaCl fcc Ionengitter von Kochsalz Cl - Na 37

38 3.3 7 Kristallsysteme 1. Kubisch 2. Tetragonal 3. exagonal 4. Trigonal 5. Orthorohombisch 6. Monoklin 7. Triklin Bravaisgitter 38

39 Übungsfragen 1 1. Welche Aggregatzustände kennen Sie? 2. Was versteht man unter Sublimation, bzw. Resublimation? 3. Nennen Sie ein Beispiel für ein homogenes Mehrphasensystem! 4. Welche Teilchenwechselwirkungen bezeichnet man als chemische Wechselwirkungen? Erläutern Sie diese! 5. Welche Teilchenwechselwirkungen bezeichnet man als physikalische Wechselwirkungen? Erläutern Sie diese! 6. Geben Sie in der Elektronenstrichschreibweise die Formeln für molekularen Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff an! 7. Welche räumlichen Strukturen haben 2 O, C 4 und SF 6? Übungsfragen 2 8. Was ist ein Dipol? Erklären Sie die Dipolnatur des Wassermoleküls! 9. Erläutern Sie den Unterschied zwischen einem temporären und einem permanenten Dipol! Beispiele! 10. Was versteht man unter Van-der-Waals Kräften? 11. Was für Arten von kristallinen Festkörperstrukturen kennen Sie? 12. Erläutern Sie die Strukturen vom Diamantkristall und vom Graphit Welches unterschiedlichen Eigenschaften resultieren daraus? 13. Was ist ein Fulleren? 14. Wie kann man sich Doppel- bzw. Dreifachbindungen erklären? Geben Sie Beispiele! 39

40 Übungsfragen Erläutern Sie die Charakteristika der Ionenbindung! 16. Was versteht man unter einer Komplexbindung? 17. Erläutern Sie die Charakteristika der Metallbindung! 18. Was ist ein Valenz-, bzw. Leitungsband? Was versteht man unter dem Fermieniveau? 19. Zeichnen Sie das Bändermodell für einen typischen albleiter. Wie groß ist die Bandlücke etwa? 20. Warum leiten Metalle mit zunehmender Temperatur immer schlechter den elektrischen Strom? Literatur J. oinkins; E. Lindner; Chemie für Ingenieure; Verlag: Wiley-VC Verlag Gmb & Co. KGaA, 2007 P.W. Attkins; L. Jobnes; Chemie einfach alles; Verlag: Wiley-VC Verlag Gmb & Co. KGaA, 2006 Römpp s Chemie Lexikon DTV-Atlas zur Chemie 40

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