Kinetische Energie der Moleküle / Aggregatzustand

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1 2.3 Intermolekulare Anziehungskräfte und Molekülkristalle Kräfte zwischen Molekülen - Van-der-Waals-Kräfte Orientierungskräfte bzw. Dipol-Dipol-Kräfte Induktionskräfte bzw. induzierte Dipole Dispersionskräfte bzw. London-Kräfte - Wasserstoff-Brücken Kinetische Energie der Moleküle / Aggregatzustand Intermolekulare Anziehungskräfte Bau und Struktur der Moleküle δ

2 Ionenbindung Chemische Bindung + + Atombindung Ion Ion Ion Ion + + Atom Atom unpolares Molekül Ion-Dipol-Kräfte / Komplexbindung + δ + δ Ion polares Molekül Ion permanenter Dipol

3 Kation- bzw. Anion-Dipol-Kräfte δ δ + δ δ ydratation eines Ions durch das Lösungsmittel Wasser

4 Van-der-Waals-Kräfte Orientierungs- bzw. Dipol-Dipol-Kräfte (polar-polar-wechselwirkungen) δ δ δ δ polares Molekül polares Molekül permanenter Dipol permanenter Dipol Induktionskräfte bzw. induzierte Dipole (polar-unpolar-wechselwirkungen) δ δ δ polares Molekül unpolares Molekül permanenter Dipol induzierter Dipol Induktion eines Dipols in einem Molekül mit symmetrischer Ladungsverteilung.

5 Orientierung polarer Moleküle in einem Molekülkristall δ δ δ δ δ δ δ δ δ Orientierung polarer Moleküle im elektrischen Feld + δ - δ δ - δ δ - + δ - δ - δ - + δ - δ - δ - +

6 Dispersionskräfte (unpolar-unpolar-wechselwirkungen) δ δ unpolares Molekül unpolares Molekül momentaner Dipol induzierter Dipol Kurzfristige Verschiebung der Elektronen in der Elektronenhülle. Mit zunehmender Größe der Moleküle und steigender Elektronenzahl nehmen die Dispersionskräfte zu.

7 Dispersionskräfte Warum können Edelgase verflüssigt werden? eliumatom 1 eliumatom 2

8 Chemische Kräfte und Wechselwirkungen Art Stärke Reichweite kovalente Bindung sehr stark weit reichend Ionenbindung sehr stark E 1/d Ion - Dipol stark E 1/d 2 Dipol - Dipol mäßig stark E 1/d 3 Ion - induzierter Dipol schwach E 1/d 4 Dipol - induzierter Dipol sehr schwach E 1/d 6 Dispersionskräfte 1) sehr schwach E 1/d 6 1) Dispersionskräfte steigen mit zunehmender Größe der Teilchen

9 Bedeutung von Van-der-Waals-Kräften - aftung an Grenzflächen durch zwischenmolekulare Kräfte - Wirkung erstreckt sich nur über wenige nm Wirkung von afthärchen - Aufspaltung der afthärchen (Setae) in Vielzahl feinster aftenden (Spatulae) - Annäherung an die Oberfläche auf wenige nm - Wirkung zwischenmolekularer Kräfte - Millionen von aftpunkten wirken tragend

10 Anatomie des Geckofußes Fuß - mehrstufiger Aufbau - Anpassung an den Untergrund Zehe 1. Gröbste Zehengelenke Unebenheiten 2. Kleinere Lamellen an Unebenheiten Zehen 3. Mikroskalige Besetzung der Lamellen mit Anpassung Keratin-ärchen (5000 / mm 2!) (Setae: 0,1 mm lang, 5 µm dick) 4. Nanoskalige undertfache Verzwei- Anpassung gungen jedes Setae enden in kleinsten Plättchen (Spatulae) (1 Mrd., Ø nm!), bis 40 kg aftlast

11 Wasserstoffbrücken - besondere Dipol-Dipol-Kraft - Wasserstoffatome sind an kleine, stark elektronegative Atome gebunden F, O und N - Wechselwirkungen zwischen partiell positiv geladenen Wasserstoffatomen und dem freien Elektronenpaar am F, O oder N-Atom des Nachbarmoleküls Wasserstoffbrücke - Bindungsstärke deutlich geringer als die einer kovalenten Bindung nur etwa 1/20 der Bindungsstärke - Trotz hoher Elektronegativität der Cl- Atome gehen Chlorverbindungen nur schwache Wasserstoffbrücken ein Elektronenpaare weniger kompakt δ+ O δ - δ - O O O O O δ - δ - O

12 Wasserstoff-Brücken und Dispersionskräfte F F Cl * Cl 2 p 2 p 3 p 3 p O O Dipol - Dipol - Kraft, keine -Brücke * diffuse Elektonendichteverteilung (O ) = 463 kj/mol (O ) = 36,4 kj/mol ( 1/15) (Disp) = 9,0 kj/mol ( 1/50) N N (N ) = 389 kj/mol (N ) = 13,3 kj/mol ( 1/30) (Disp) = 14,7 kj/mol ( 1/25)

13 Anomalien des Wassers aufgrund von Wasserstoffbrücken Wasser nimmt aufgrund einer Reihe anomaler Eigenschaften eine Sonderstellung ein. Es besitzt ungewöhnlich hohe Werte für - die Dichte - den Schmelz- und Siedepunkt - die Verdampfungswärme - die spezifische Wärmekapazität - die Oberflächenspannung - die Viskosität

14 Anordnung der Wassermoleküle im weitmaschigen Gitter eines Eiskristalls Tetraedrische Umgebung des Sauerstoffs exagonale Struktur! Die hohlräumige Struktur von Eis ist auf Wasserstoffbrücken zurückzuführen!

15 Temperaturabhängigkeit der Dichte von Eis und Wasser Dichte / g/cm 3 ρ = 1,000 g/cm 3 - Wasser dehnt sich beim Gefrieren um ca. 9 % gegenüber dem Ausgangsvolumen aus. - Wasser hat bei 4 C seine größte Dichte. ρ = 0,917 g/cm 3 0 C 4 C Temperatur / C

16 Vorgänge beim Schmelzen und Gefrieren V = 1/11 9 Vol.-%! Eis 1 mol = 19,63 cm 3 Wasser 1 mol = 18,00 cm 3 0 C - Beim Schmelzen bleiben im Wasser geordnete Bereiche erhalten ( Cluster aus 2 bis 1000 Wassermolekülen). - Mit steigender Temperatur nimmt die Ordnung ab und die Raumerfüllung wird bis 4 C höher. - Danach erfolgt die Abnahme der Dichte durch Wärmebewegung.

17 Phasendiagramm des Wassers (Skizze nicht maßstabsgerecht) Siedepunktskurve Wasser andere Stoffe 221 Druck / bar Schmelzkurve Wasser krp 1,013 Eis Smp Sdp 0,006 Tp Wasserdampf - 273,15 0 0, Sublimationskurve Temperatur / C

18 Siedepunkte der Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV., V. und VI. auptgruppe Siedepunkt / C O -Brücken N 3 + Dipol-Dipol-Kräfte 2 Te 2 S 2 Se Sb 3 As 3 Sn 4 Si 4 4 Dispersionskräfte Der Siedepunkt steigt aufgrund von Dispersionskräften und Dipol-Dipol-Kräften an. Bei den ersten Verbindungen der V. und VI. auptgruppe erschweren zusätzlich Wasserstoffbrücken das Abtrennen von Molekülen aus der Flüssigkeit C 4 Periode IV. auptgruppe V. auptgruppe VI. auptgruppe

19 Wasserstoffverbindungen IV. auptgruppe: C 4, Si 4, Ge 4, Sn 4 - Unpolare Moleküle ohne freie Elektronenpaare - Siedepunkt steigt wie erwartet entsprechend der Zunahme der Dispersionskräfte an. Diese nehmen mit der Atom-/Molekülgröße zu. V. und VI. auptgruppe: 2 O, 2 S, 2 Se, 2 Te - Zu Dispersionskräften kommen zusätzlich Dipol-Dipol-Kräfte - Die Verbindungen mit den größten Dipolmomenten in der jeweiligen Periode haben die höchsten Siedepunkte (S > P > Si bzw. VI. G > V. G > IV. G) N 3, 2 O und F - Völlig aus der Reihe fallen die ersten Verbindungen jeder auptgruppe - Wasserstoff-Brücken erschweren das Abtrennen von Molekülen aus der Flüssigkeit.

20 Bedeutung von Wasserstoff-Brücken - Gute Löslichkeit von Molekülen (C 3 O, N 3 ) in Wasser aufgrund von großer struktureller Ähnlichkeit und Wasserstoffbrücken-Bildung (Ammoniak-Springbrunnen s. 5.2) N O - Wasserstoffbrücken in der belebten Natur von zentraler Bedeutung (Proteine, DNS, Zellteilung, Zellulosefasern)

21 Wasserstoffbrücken zwischen Zellulosemolekülen - Celluloseketten mit bis zu Glukoseeinheiten - Versteifung durch Wasserstoffbrücken Bündel von Celluloseketten (Cellulosefaser) - Festigkeit von nassem Papier sinkt durch Einbau von Wassermolekülen!

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