Von der Summenformel zur Strukturformel und weiter zu den Oxidationszahlen
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- Til Baum
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1 trukturformeln_2005.doc 1 Von der ummenformel zur trukturformel und weiter zu den xidationszahlen ummenformel gibt Auskunft über die Art der Atome, aus denen das Molekül aufgebaut ist und über das Zahlenverhältnis dieser Atome. ie gibt keine Auskunft über die tuktur des Moleküls. trukturformel gibt Auskunft über die truktur des Moleküls, d.h. 1. über die Reihenfolge der Verknüpfung der Atome die Konstitution des Moleküls 2. über die Art der Bindung und über ungepaarte Elektronen Ionenbindung Atombindung (Einfach-, Doppel-, Dreifachbindung) (formale Ladungen) Radikalcharakter. über die Art der räumlichen Anordnung der Atome zueinander und über die Winkelverhältnisse. (bei Verwendung speziellertrukturformeln mit räumlicher Wirkung) Konfiguration und Konformation des Moleküls xidationszahlen der Atome in einem Molekül geben Auskunft über den (formalen) xidationszustand dieser Atome und damit über die Frage, ob man das Molekül oxidieren oder reduzieren kann. Von folgenden Molekülen sollen tukturformeln entwickelt werden und anschließend xidationszahlen berechnet werden: Elemente: Verbindungen: Cl 2 22 C2 C C 2C P
2 trukturformeln_2005.doc 2 alze: a2 Ca (P ) 2 Ca() 2 2+ Komplexe Kationen Cu( ) ; komplexe Anionen Fe(C) 6 Die bei vielen alze und Komplexe verwendeten ummenformeln können bereits einige trukturinformationen enthalten: 1. Angabe der Ladungen von Kationen und Anionen Ionenbindung (werden aber häufig weggelassen) 2. Zusammenfassung solcher Teilchen in runden Klammern, die als Baugruppen am Aufbau des Moleküls beteiligt sind, bzw. in die das Molekül bei der Dissoziation in Wasser zerfällt: nicht Psondern ( ) 2(P ) oder ( ) 2(P ) 2 + P nicht Ca sondern Ca() 2 oder Ca ( ) 2 Ca + 2 nicht Ca P28 sondern Ca (P ) 2oder Ca (P ) 2 Ca + 2 (P ) nicht Cu sondern Cu( ) oder Cu ( ) Cu. Für zweiatomige Moleküle ohne Mehrfachbindungen ist die Aufstellung der trukturformel kein Problem. Als Ergänzung der trukturformel ist möglich: 1. Angabe freier Elektronenpaare. 2. Andeutung der Verteilung von Elektronendichte bzw. Dipolmoment.. Angabe der xidationszahlen.
3 trukturformeln_2005.doc Regeln zur Ermittlung von xidationszahlen: Aufteilung der Bindungselektronen nach der Elektronegativität, dann Abzählung der Elektronen und Vergleich der Anzahl mit der Anzahl der Valenzelektronen gemäß tellung des Atoms im PE. Atome in Elementen xidationszahl 0 In einfachen Ionen entspricht die xidationszahl der Ionenladung umme aller xidationszahlen in einem Molekül = 0; in komplexen Ionen ist sie gleich der Ionenladung Alkali- und Erdalkalimetallehaben immer die xidationszahl +1 bzw. +2 -Atome in einer Verbindung haben immer die xidationszahl +1, außer in Verbindungen mit Metallen auerstoff hat fast immer die xidationszahl 2, außer in Verbindungen mit Fluor und mit sich selber (z:b. in Peroxiden) Cl Cl +1-1 Cl δ+ δ Cl. Für dreiatomige Moleküle ohne Mehrfachbindungen ist die Aufstellung der trukturformel ebenfalls kein Problem. Gleiches gilt für die Ermittlung der xidationszahlen Eine andere Reihenfolge der Atomverknüpfung ist nicht möglich. Eine räumliche Darstellung mit exakten Winkeln ist möglich. - Exakte Einhaltung der ktettregel für Atome der ersten Periode unbedingt erforderlich!
4 trukturformeln_2005.doc 5. Andere Moleküle aus Atomen der ersten Periode: die strenge Beachtung der ktettregel erfordert die Formulierung von trukturformel mit Mehrfachbindungen es müssen alle zur Verfügung stehenden Valenzelektronen verwendet werden. +2 C C ydratisierungs-/ Dehydratisierungs- Gleichgewicht C Blausäure (sehr schwache äure) C Dissoziations- Gleichgewicht - C Für einige Moleküle aus Atomen der ersten Periode (tickstoff!) mit ungerader Gesamtzahl von Valenzelektronen ist die Einhaltung der ktettregel nicht möglich Bildung von Radikalen ; Dimerisierung von Radikalen Dimerisierung tickstoffmonoxid Für einige zwei- und mehratomige Moleküle aus Atomen der ersten Periode (tickstoff!) erfordert die möglichst strenge Beachtung der ktettregel die Formulierung von trukturformeln mit sog. formalen Ladungen und die Formulierung von sog. mesomeren Grenzstrukturformeln (Andeutung der Elektronendelokalisierung im Molekül)
5 trukturformeln_2005.doc tickstoffdioxid ktettregel verletzt ktettregel erfüllt (auf Kosten der Einführung formaler Ladungen) Reduktion: Zufuhr eines Elektrons durch ein Reduktionsmittel + e Erniedrigung der xidationszahl Dissoziationsgleichgewicht salpetrige äure (schwach) itrit: Anion der salpetrigen äure xidation: Entzug von zwei Elektronen durch das (formale) xidationsmittel - 2e Erhöhung der xidationszahl vollständige Dissoziation alpetersäure (stark) itrat: Anion der alpetersäure
6 trukturformeln_2005.doc 6 Bei einigen mehratomigen Molekülen aus Atomen der ersten Periode sind zusätzliche Informationen über die Anordnung der Atome nötig, um die trukturformeln richtig zu formulieren. Distickstoffmonoxid zon richtige Konstitution richtige Konstitution falsche Konstitutionen Wenn Atome der zweiten Periode am Aufbau der Moleküle beteiligt sind (Phosphor, chwefel), ist die Beachtung der ktettregel bei der Formulierung von trukturformeln nicht zwingend erforderlich Aufweitung des ktetts ist erlaubt. ind mehrere trukturen möglich, die sich in der Anzahl ihrer formalen Ladungen unterscheiden, so sind i.a. diejenigenm zu bevorzugen, bei denen die beteiligten Atome möglichst geringe formale Ladungen aufweisen. Beispiel: mesomere Grenzstrukturen des ulfat-ions: truktur mit zwei =-Doppelbindungen liefert höheren Beitrag, da in dieser truktur die minimale Anzahl formaler Ladungen auftritt.
7 trukturformeln_2005.doc 7 P Phosphorsäure schweflige äure chwefelsäure P 2+ ulfit Phosphat ulfat Grenzstrukturen mit jeweils niedrigsten formalen Ladungen Redoxgleichgewicht + + 2e Thiosulfat Tetrathionat Übung: xidationszahlen ermitteln für und P
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