2.3 Intermolekulare Anziehungskräfte und Molekülkristalle
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- Gotthilf Abel
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1 2.3 Intermolekulare Anziehungskräfte und Molekülkristalle Kinetische Energie der Moleküle / Aggregatzustand Bau und Struktur der Moleküle Intermolekulare Anziehungskräfte Kräfte zwischen Molekülen Van-der-Waals-Kräfte Orientierungskräfte (Dipol-Dipol-Kräfte) Induktionskräfte Dispersionskräfte Wasserstoff-Brücken (induzierte Dipole) (London-Kräfte) 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 - 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 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
8 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
9 Anatomie des Geckofußes mehrstufiger Aufbau Anpassung an den Untergrund 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
10 Dispersionskräfte Warum können Edelgase verflüssigt werden? eliumatom 1 eliumatom 2
11 Wasserstoff-Brücken (besondere Dipol-Dipol-Kraft) Sind Wasserstoffatome an kleine, stark elektro- negative Atome wie F, O und N gebunden, erfolgt eine starke Polarisation der Bindung mit relativ hohem -Ladungsanteil am Wasserstoff. δ - δ - δ - δ - O O Infolge dessen treten Wechselwirkungen zwischen partiell positiv geladenen Wasserstoffatomen und dem freien Elektronenpaar am F, O oder N-Atom auf. O O Größere, elektronegative Atome (Chlorverbindungen) gehen nur schwache Wasserstoffbrücken ein, da die Elektronenpaare weniger kompakt sind (diffuse Elektronendichteverteilung). O O 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 (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 1,013 0,006 Eis Schmelzkurve Smp Tp Wasser Sdp Wasserdampf krp - 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 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)
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