Bindung in Kohlenwasserstoffmolekülen

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1 Bindung in Kohlenwasserstoffmolekülen Die Kohlenstoffbindungen im Vergleich Bindung Bindungsstärke Differenz Bindungslänge [kj/mol] [pm] H-H C-H C-C C=C C C

2 Lewis H : : H C H H N H O H Valence bond theory H Hybridisierung bei anderen Atomen Die Oktett-Regel und sp 3 - Hybridisierung Grundstruktur = Tetraeder CH 4 NH 3 OH 2 FH H : : : : H.. H F H o N H C H H H 107 o H H O H o H F linear H

3 Hybridisierung bei anderen Atomen Planare Strukturen,, sp 2 - Hybridisierung p-orbital Grundstruktur: trigonal sp 2 -Orbital Keto-Gruppe C O C O

4 + - - Hybridisierung bei anderen Atomen Planare Strukturen,, sp 2 - Hybridisierung p-orbital Grundstruktur: trigonal sp 2 -Orbital Nitration NO 3 - O O + - N - O O O N - O - O O N + O O N O O

5 Hückel - Theorie Methode zur Erzeugung des π Elektronensystems für konjugierte Kohlenstoffe mit alternierenden Einfach- und Doppelbindungen Regeln 1. Konstruiere ein festes Molekülgerüst aus σ-bindungen aus den sp 2 Hybridorbitalen der Kohlenstoffatome 2. Konstruiere delokalisierte π-molekülorbitale aus den verbleibenden p-atomorbitalen der Kohlenstoffatome

6 Hückel - Theorie Resonanzstrukturen des Benzols Benzol: Experimentelle Tatsache ist die perfekte 6-fach Symmetrie => alle CC-Bindungen haben die selbe Bindungslänge:139 pm p-orbital sp 2 -Orbital

7 Hückel - Theorie Benzol: σ-bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen aus sp 2 -Atomorbitalen

8 Hückel - Theorie Benzol: σ-bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen aus sp 2 -Atomorbitalen σ-bindungen zwischen H1s-Orbitalen und Csp 2 -Orbitalen

9 Benzol: das σ-gerüst Hückel - Theorie

10 Hückel - Theorie Benzol: π-molekülorbitale aus den 2p-Orbitalen 6 p-atomorbitale => 6 π-molekülorbitale

11 Hückel - Theorie Benzol: π-molekülorbitale aus Kohlenstoff 2p-Orbitalen 6 p-atomorbitale => 6 π-molekülorbitale Energy

12 Hückel - Theorie Naphthalin: Resonanzstruktur und Bindungslängen in [pm] Naphthalin: experimentelle Tatsache, die CC-Bindungslängen sind nicht identisch.

13 Bindungslängen bei Beteiligung von Kohlenstoff [pm] Inorganic Chemistry, J.E. Huheey, Harper 1978 C-C 154 C=C 134 C C 120 C-H 109 O-H 96 C-F 139 C-Cl 178 C-O 143 C=O 120 C-N 147

14 Chemische Reaktionen Brutto - Reaktionsgleichung 2 Mg + O 2 2MgO Edukte Produkte Beschreibt den Formelumsatz Muss stöchiometrisch richtig sein (Gleiche Anzahl gleicher Atome auf beiden Seiten) Gibt keine Auskunft über: - - Auslösemechanismus der Reaktion - - Reaktionsgeschwindigkeit - - Zwischenprodukte

15 Chemische Reaktionen Zwei Typen von Reaktionen: 1) Vollständig ablaufende Reaktionen: A + B +... X + Y +... Bei stöchiometrischer Zusammensetzung reagieren alle Edukte zu Produkten

16 Chemische Reaktionen Zwei Typen von Reaktionen: 2) Gleichgewichtsreaktionen: A + B +... X + Y +... Hinreaktion: A + B +... X + Y +... Rückreaktion: X + Y +... A + B +... Werden nur Edukte vorgelegt, so startet zunächst die Hinreaktion. Sobald die ersten Produkte entstanden sind, fängt auch schon die Rückreaktion zu laufen an. Beide Reaktionen konkurrenzieren und es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein.

17 Triebkraft Chemischer Reaktionen Exotherme Reaktionen: Bei der Reaktion wird Wärme an die Umgebung abgegeben. Endotherme Reaktionen: Bei der Reaktion wird Wärme der Umgebung entzogen. Auslösen der Reaktionen: Reaktionen müssen in der Regel durch einen Aktivierungsprozess (Aktivierungsenergie) gestartet werden.

18 Triebkraft chemischer Reaktionen Beispiele für exotherme Reaktion: 1) Verbrennung von Magnesium: 2 Mg + O 2 2MgO Endotherme Reaktionen: - Zünden mit Bunsenbrenner - Sehr helles, weisses Licht => Temperatur ~ 2400 o C

19 Triebkraft chemischer Reaktionen 2) Thermitreaktion: Zündlunte aus Mg 2 Mg + O 2 2MgO Zündmischung BaO 2 + Mg BaO + MgO Reduktion von Eisenperoxid Fe 2 O 3 + 2Al 2Fe + Al 2 O 3 Sehr starke exotherme Reaktionen: - Flüssiges Fe tropft aus dem Blumentopf - Reaktionenthalpie H = 852kJ / mol Temperatur ~ 2400 o C

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22 Triebkraft chemischer Reaktionen 3) Roter Phosphor und Kaliumchlorat: Zündmischung: Hammerschlag P + KClO 3 P: starkes Reduktionmittel ClO 3 - : starkes Oxidationsmittel Zündmischung: Hammerschlag 3 KClO 3 KCl + 2 O 2 Oxidation von Phosphor 3 P + 2 O 2 PO 3 P + PO 3 + O 2 P 2 O 5

23 Triebkraft chemischer Reaktionen Exotherme Reaktionen: Enthalpie Die bei einer chemischen Reaktion frei werdende Wärme wird als Reaktionsenthalpie bezeichnet. Sie wird frei, wenn bei einer chemischen Reaktion Substanzen mit hoher innerer Energie (z.b. aus der Energie, die in den chemischen Bindungen von Molekülen steckt) in Substanzen mit niedriger Energie umgewandelt werden. Für die Enthalpie wird der Großbuchstabe H verwendet. Bsp. Für die Enthalpie der chemischen Bindung eines Wasserstoffmoleküls findet man: 2 g H g kjmol -1 ( ) ( ) H 2 Natürlich trägt die in der Bewegung der Moleküle gespeicherte Energie auch zur inneren Energie bei. Ebenso trägt die Wechselwirkung der Moleküle in einem Festkörper oder in einer Flüssigkeit zur inneren Energie bei.

24 Triebkraft chemischer Reaktionen Bindungsenthalpien [kjmol -1 ] C-H C-C C=C C C C-O C=O C-N C-F C-Cl C-Br

25 Triebkraft chemischer Reaktionen Endotherme Reaktionen: 1) Cobaltchlorid-6-Hydrat und Thionylchlorid [ CoCl ] 2 6H 2O + 6SOCl2 CoCl2 + 12HCl + 6SO2 violett Flüssigkeit blau Temperaturerniedrigung von 22 o C nach ~ 6 o C Gasförmig => Blasen Es entstehen mehr Teilchen, sie durchmischen sich, das Gas entweicht aus der Flüssigkeit und verteilt sich in der Umgebung. Dieser Prozess hängt von der Umgebungstemperatur ab, falls diese zu niedrig ist und die Flüssigkeiten oder Gase fest werden, läuft die Reaktion nicht mehr.

26 Triebkraft chemischer Reaktionen Endotherme Reaktionen: Entropie Offenbar gibt es neben der Abgabe von Wärme noch weitere Prozesse, die eine chemische Reaktionen vorantreiben, z.b. die Zunahme der Teilchen, die Durchmischung, Phasenübergänge (fest/flüssig, flüssig/gasförmig, etc. ). Gemeinsam ist diesen Prozessen, dass dabei immer die Unordnung größer wird (mehr Teilchen, Durchmischung, Verteilung in einem größeren Volumen) und das System einen wahrscheinlicheren Zustand anstrebt. Ein Maß für den Ordnungsgrad, den ein Mol einer Substanz bei einer bestimmten Temperatur hat, ist die molare Entropie. Als Abkürzung für Entropie wird der Großbuchstabe S verwendet.

27 Triebkraft chemischer Reaktionen Freie Enthalpie, Enthalpie und Entropie: G = H T S Freie Reaktionsenthalpie: G = G P G E Einheiten: Jmol -1 P: Produkte, E: Edukte Reaktionsenthalpie = umgesetzte Wärme H = H P H E Einheiten: Jmol -1 H kann z.b. über eine Temperaturerhöhung gemessen werden Reaktionsentropie = Änderung der Unordnung im System S = S P S E S kann z.b. über eine Volumszunahme gemessen werden Einheiten: JK -1 mol -1

28 Triebkraft chemischer Reaktionen Eine chemische Reaktion läuft spontan ab, wenn G negativ ist. Analogon aus der Mechanik: Potentielle Energie G = H T S Wärmeabgabe => Temperaturerhöhung 2. Zunahme der Entropie => Schmelzen, Verdampfen, Entstehung gasförmiger Produkte, Entstehung von mehr Teilchen => wenn bei der Reaktion keine Wärme frei gesetzt wird, wird dazu Wärme aus der Umgebung entzogen, was zu einer Temperaturerniedrigung führt.

29 Triebkraft chemischer Reaktionen Freie Reaktionsenthalpie und Reaktionskoordinate: Freie Enthalpie des Gesamtsystems 0,0 Übergangszustand Aktivierungsenergie G E G Freie Reaktionsenthalpie G P Edukte Produkte R Reaktionskoordinate

30 Triebkraft chemischer Reaktionen Freie Standardbildungsenthalpie, Free Standard Energy of Formation H Unter der freien Standardbildungsenthalpie versteht man die freie Reaktionsentalpie bei der Bildung einer Substanz aus ihren Elementen unter Standardbedingungen. Für viele Substanzen wurde die freie Bildungsenthalpie für Standardbedingungen (z.b. 25 o C) gemessen und in Tabellenwerken zusammengefasst. Daraus kann die freie Reaktionsenthalpie einer beliebigen Reaktion berechnet werden. + 1 O H O( ) kjmol g C + O2 CO2( g) kjmol ( 2 N g O NH ) kjmol - 1

31 Triebkraft chemischer Reaktionen Beispiel: Verbrennung von Oktan 1) Aufstellen der stöchiometrisch korrekten Bruttoreaktionsgleichung C8H O2 8CO2 + 9H 2O 2) Nachschlagen der Standardbildungsenthalpien (25 o C) C 8 H 18 (fl): 6.4 kjmol -1 O 2 (g): 0.0 kjmol -1! CO 2 (g): kjmol -1 H 2 O (g): kjmol -1

32 Triebkraft chemischer Reaktionen 2) Ausrechnen der freien Reaktionsenthalpie: C 8 H 18 (fl): 1 x 6.4 kjmol -1 = 6.4 kjmol ½ O 2 (g): 1 x 0.0 kjmol -1 = 0.0 kjmol -1 8CO 2 (g): 8 x kjmol -1 = kjmol -1 9H 2 O (g): 9 x kjmol -1 = kjmol kjmol -1