4. Chemische Bindung

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Heinrich Schubert
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1 4. Chemische Bindung

2 4... Vlenzindungs-Modell: Oktettegel Die Bildung enegetisch egünstigte Elektonenkonfigutionen (die esondes stil sind) wid ngestet Eine esondes stile Konfigution ist die Edelgskonfigution (Oktett). Als Oktett wid eine Elektonenkonfigution ezeichnet, in de die äußee Elektonenschle eines Atoms mit 8 Elektonen esetzt ist. Edelgse esitzen diese s p 6 -Konfigution. Atome eingehen Veindungen (lso Elektonen geen ode ufnehmen), um die stile Edelgskonfigution zu eeichen.

Als Oktett wid eine Elektonenkonfigution ezeichnet, in de die äußee Elektonenschle eines Atoms mit 8 Elektonen

3 Ionische (heteopole) Bindung Bildung von Ktionen Age von Elektonen Ziel: Auflösung de wenig stilen Schle Atome von Metllen Bildung von Anionen Aufnhme von Elektonen Ziel: Bildung eine stilen Schle Atome von Nichtmetllen

Atome von Metllen Bildung von Anionen Aufnhme von

5 4... Kovlente (homöopole, Atom-) Bindung Bei kovlente Bindung weden die Aufenthltsgeiete de Elektonen nicht duch tome Oitle sonden duch Moleküloitle eschieen. Moleküloitle sind Oitle die zu zwei ode meh Atomen gehöen. Kovlent geundene Atome teilen sich die Oitle de Vlenzelektonen.

6 4..3. Kovlente (homöopole, Atom-) Bindung σ-bindung Zwei Oitle üelppen sich und ilden ein indendes Moleküloitl. Gemeinsmes Oitl umgit die Veindungslinie de geundenen Atome. Es können s- ode Hyidoitle eteiligt sein. π-bindung Zwei enchte p-oitle veschmieen und ilden ein indendes Moleküloitl. Oitl esteht us zwei elliptischen Hloitlen pllel zu Veindungslinie de geundenen Atome. Nomleweise nu p-oitle eteiligt

Es können s- ode Hyidoitle eteiligt sein.

7 4..4. Metllische Bindung Ionenildung M M n+ + n Elektonen Aufu Ktionen in dichteste Kugelpckung Dzwischen Elektonengs Besondee Eigenschften von Metllen Hohe elektische Leitfähigkeit Hohe Wämeleitfähigkeit Leichte Vefomkeit Unduchsichtigkeit

Besondee Eigenschften von Metllen Hohe elektische

8 4..5. vn-de-wls Bindung Die momentne Polisieung eines Atoms veschiet die Elektonendichte und ezeugt einen momentnen Dipol. De momentne Dipol knn ein ndees Atom polisieen, woduch ein induziete Dipol ezeugt wid.

9 4..6. Wssestoffücken-Bindung

10 4... Kovlente (homöopole, Atom-) Bindung Bei kovlente Bindung weden die Aufenthltsgeiete de Elektonen nicht duch tome Oitle sonden duch Moleküloitle eschieen. Moleküloitle sind Oitle, die zu zwei ode meh Atomen gehöen. Kovlent geundene Atome teilen sich die Oitle de Vlenzelektonen.

11 Beispiel: Kohlenstoff (s )(s )(p x )(p y ) Hyidisieung sp-hyidisieung Anheung eines s-elektons us dem Gundzustnd in ds p-niveu Hyidisieung des einen s mit einem p-elekton uf ds Enegieniveu sp unte Asenkung de Enegie. Zwei einfch esetzte p-oitle eteiligen sich nicht n de Hyidisieung. Sie ilden zwei π-bindungen (jeweils eine Hälfte eine Doppelindung ode /3 eine Deifchindung).

12 sp-hyidisieung und Bildung von Moleküle Beispiel: Ethin π x -Bindung

13 sp-hyidisieung und die Wellenfunktion sp-hyidoitle: linee Komintion von s- und p- Atomoitlen Beispiel: Kohlenstoff (s )(s )(p x )(p y ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) z z z z p c s c p s p c s c p s 4 3,, + = + = = τ d i = τ d Nomieungsedingung: Othogonlität: ( ) () ( ) [ ] ( ) () ( ) [ ] z z z z p s p s p s p s = + =,,

) z z z z p c s c p s p c s c p s 4 3,, + = + = = τ d i = τ d

14 Winkelnteil de Wellenfunktionen: ( ) θ ( ) θ ( θ ) = [ 3 cosθ ], ± π wid mximl fü θ=, definiet mit Bezug zu z-achse wid mximl fü θ=8

16 Beispiel: Kohlenstoff (s )(s )(p x )(p y ) sp -Hyidisieung Anheung eines s-elektons us dem Gundzustnd in ds p-niveu Hyidisieung des einen s mit zwei p-elektonen uf ds Enegieniveu sp unte Asenkung und Veeinheitlichung de Enegie. Ein einfch esetztes p-oitl eteiligt sich nicht n de Hyidisieung. Es ildet eine π-bindung (eine Hälfte eine Doppelindung)

des einen s mit zwei p-elektonen uf ds Enegieniveu sp unte Asenkung und Veeinheitlichung

17 sp -Hyidisieung und Bildung von Moleküle: Ethen

18 sp 3 -Hyidisieung Beispiel: CH 4 Anheung eines s-elektons us dem Gundzustnd in ds p-niveu Hyidisieung des einen s mit den dei p-elektonen uf ds Enegieniveu sp 3 unte Asenkung und Veeinheitlichung de Enegie:

19 Ethn: sp 3 Ethen: sp Ethin: sp π x -Bindung E Bindung (C-C)=348 kj mol - E Bindung (C=C)=6 kj mol - E Bindung (C C)=837 kj mol - Bindungslänge(C-C)=53 pm Bindungslänge(C=C)=33 pm Bindungslänge(C C)= pm

20 4.. Chemische Bindung II - Elektonische Zustände

21 4... Ds Wssestoff-Molekülion H + h m e 4πε ϕ ( ) = E ϕ ( ) Schödinge-Gleichung fü den Wssestoffgundzustnd des Kens H E = E = E Bindungsenegie des Elektons im Feld eines einzelnen Kens zunächst wid venchlässigt h e e e + ψ = Eψ m 4πε 4πε 4πεR Schödinge-Gleichung fü ds Wssestoff-Molekülion

22 4 4 = + c e E E c e E E ϕ πε ϕ πε c c ϕ ϕ ψ + = Wellenfunktion des H + : Linekomintion de Wellenfunktionen ϕ und ϕ c und c sind otsunhängig: enthlten den Effekt des entgegenstehenden Kens und de Üelppung de Wellenfunktionen ϕ und ϕ * * * * ; ; ; dv ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ = =

23 ϕ ϕ d τ = S ϕ und ϕ sind nicht zueinnde othogonl e ϕ ( ) ϕ ( ) d τ = C 4πε C = Coulomsche Wechselwikungsenegie zwischen de Elektonenldungsdichte und de Kenldung e e ϕ ( ) ϕ ( ) d τ = 4πε D = Austuschintegle D

24 Symmetische Wellenfunktion ( ϕ ϕ ) ψ = c + E = E C + D + + S Antisymmetische Wellenfunktion ψ = E = E c ( ϕ ϕ ) C D + S

25 E Bindung = C ± D e + ± S 4πε R Zustnd mit symmetische Wellenfunktion: indend Zustnd mit ntisymmetische Wellenfunktion: lockend (ntiindend) Dissozitionsenegie: Beechnete E Bindung =.7eV Gemessene E Bindung =.6 ev Modell-Veesseung: ψ = c e α + α : Boh-Rdius; α: konst. Pm. e

26 e R e e e e m e m H πε πε πε πε πε πε + + = h h ( ) ( ),, E H ψ ψ = ( ) ( ) 4 E e m ϕ ϕ πε = h ( ) ( ) 4 E e m ϕ ϕ πε = h Kene unendlich weit voneinnde entfent Puli-Pinzip Spinfunktion 4... Ds Wssestoff-Molekül H

27 Die Methode von Heitle-London Dissozitionsenegie: Beechnete E Bindung = 3.4 ev Gemessene E Bindung = 4.48 ev () ( ) ϕ ( ) ( ) ( ) ϕ ( ) α () ( ) ψ = α α ϕ ϕ = α ψ () ( ) u Spins nch oen ψ = β β ψ Spins nch unten u () ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ϕ ( ) ψ = α β α β ϕ ϕ + ϕ () ( ) ( ) β () = α β α ψ ψ = α( ) β( ) + α( ) β ( ) ψ u S= Spins ntipllel g indend

28 Kovlent-ionische Resonnz [ ϕ ( ) ϕ ( ) ϕ ( ) ϕ ( )] [ ϕ ( ) ϕ ( ) ϕ ( ) ϕ ( )] ψ = N + kov N, N Nomieungsfktoen Kovlente Wellenfunktion ψ = N' + Ionische Wellenfunktion ion ψ = ψ kov + cψ ion Hund-Mulliken-Bloch g = N[ ϕ () ϕ ( ) ] ( ) ψ ( ) [ α( ) β ( ) α( ) ( ) ] ψ + ψ = ψ g g β Moleküloitl (MO) Gesmtwellenfunktion Antisymmetische Spinfunktion: ntipllele Spins Linekomintion von tomen Wellenfunktionen Line comintion of tomic oitls (LCAO)

29 Vegleich de Wellenfunktionen fü ntipllele Spinkonfigution g () ϕ ( ) ϕ ( ) ϕ ( ) ψ = ϕ + Heitle-London ( ) ϕ ( ) + ϕ ( ) ϕ ( ) + [ ϕ ( ) ϕ ( ) ϕ ( ) ( ) ] ψ + g = ϕ c ϕ d = Heitle-London + ionisch g [ ϕ () + ϕ () ][ ϕ ( ) ϕ ( ) ] ψ = + Hund-Mulliken-Bloch d = Allgemeine Wellenfunktion ϕ ϕ + dϕ, ϕ ϕ + dϕ d konstnte Koeffizient ψ g = [ ϕ () + dϕ () ][ ϕ ( ) + dϕ ( ) ] [ ϕ ( ) + dϕ ( ) ][ ϕ () + dϕ () ] +

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