Basiswissen Chemie. Vorkurs des MINTroduce-Projekts

Transkript

1 Basiswissen Chemie Vorkurs des MINTroduce-Projekts

2 Christoph Wölper Sprechzeiten (Raum: S07 S00 C24 oder S07 S00 D27)

3 Wechselwirkungen zwischen Atomen Was bisher geschah Quantenmechanisches Atommodell Periodensystem Wechselwirkungen Ionische Bindung Metallische Bindung

4 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung

5 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung gerichtet, also immer zwischen genau zwei Atomen endliche Atomverbände (Moleküle) erhöhte Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen zwischen den Atomkernen Wechselwirkung Kern/Elektron Wechselwirkung Kern/Kern Wechselwirkung Elektron/Elektron Bindungslänge und -energie hängen zusammen

6 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung

7 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Oktett-Regel gemeinsame Nutzung von Elektronen um Edelgaskonfiguration zu erreichen sehr gut anwendbar für Elemente der 2. Periode F F F F Besonderheit für 2 4 Hauptgruppe C C

8 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Lewis-Formeln Oktett-Regel H O H H 3 C O C CH 3 H1 H2 C H4 H3

9 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Valence-Bond-Theorie Überlappung von Atomorbitalen mehr Bewegungsfreiheit für Elektronen ist energetsich günstig Paarung der Spins (Pauli-Prinzip!) Nomenklatur σ-bindung entlang der Kernverbindungsachse π-bindung abseits der Kernverbindungsachse

10 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Valence-Bond-Theorie Was ist mit Kohlenstoff los? zwei ungepaarte p-elektronen sollten zwei Bindungen mit rechtem Winkel geben zweibindiger Kohlenstoff ist linear! es gibt auch drei- und vierbindigen Kohlenstoff! dreibindiger ist trigonal-planar viebindiger ist tetraedrisch

11 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Hybridisierung

12 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Hybridisierung Addition und Subtraktion von s- und p-orbitalen je nach Anzahl der p-orbitale andere Geometrie Anzahl der Hybridorbitale ist gleich Zahl von verwendeten s- und p-orbitalen

13 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Mehrfachbindungen Hybridisierung

14 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Mesomerie

15 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Mesomerie Mesomere Grenzformeln Elektronen delokalisiert eine Lewisformel beschreibt Bindungssituation nur unzureichend mehrere gleichberechtigte durch Doppelpfeil getrennt

16 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Mesomerie Mesomere Grenzformeln auch für andere Fälle benutzbar Partialladungen Beispiel: Lachgas N N O

17 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Mesomerie Mesomere Grenzformeln auch für andere Fälle benutzbar Partialladungen Beispiel: Lachgas N N O Problem: ein N hat kein Elektronenoktett

18 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Mesomerie Mesomere Grenzformeln auch für andere Fälle benutzbar Partialladungen Beispiel: Lachgas Lösung: Partialladungen N + N O N + N O

19 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Molekülorbital-Theorie

20 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Molekülorbital-Theorie neue Orbitale Berechnen zur Beschreibung des Elektrons im Molekül (Molekülorbitale, kurz MO) Berechnung aus Atomorbitalen (kurz AO) durch Linearkombimation pro AO zwei MO bindende und anti-bindende Orbitale Bindungsordnung aus Zahl der bindenden und anti-bindenden Elektronen

21 Wechselwirkungen zwischen Atomen Die Kovalente Bindung Molekülorbital-Theorie

22 Wechselwirkungen zwischen Atomen Übergänge zwischen den Bindungstypen

23 Wechselwirkungen zwischen Atomen Übergänge zwischen den Bindungstypen alle Bindungstypen idealisiert die Wahrheit liegt dazwischen Wie kann man das beschreiben?

24 Wechselwirkungen zwischen Atomen Übergänge zwischen den Bindungstypen Elektronegativität

25 Wechselwirkungen zwischen Atomen Übergänge zwischen den Bindungstypen Elektronegativität Neutrale Moleküle zeigen Wechselwirkungen mit elektrischen Felder Dipole richten sich im elektrischen Feld aus H δ+ Cl δ Atome ziehen Bindungselektronen verschieden stark an Elektronegativität als Maß dafür

26 Wechselwirkungen zwischen Atomen Übergänge zwischen den Bindungstypen

27 Wechselwirkungen zwischen Atomen Sekundäre Wechselwirkungen Außer Bindungen treten weitere weniger starke Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen auf: Wechselwirkungen zwischen statischen Dipolen Wechselwirkungen zwischen statischen und induzierten Dipolen Wechselwirkungen zwischen induzierten Dipolen Wasserstoffbrückenbindungen

28 Wechselwirkungen zwischen Atomen Sekundäre Wechselwirkungen Aggregatzustände

29 Wechselwirkungen zwischen Atomen Sekundäre Wechselwirkungen Aggregatzustände gasförmig kein festes Volumen (komprimierbar) keine feste Form im Mittel isotrope Umgebung eines Teilchens

30 Wechselwirkungen zwischen Atomen Sekundäre Wechselwirkungen Aggregatzustände Modelle zur Beschreibung von Gasen Das ideale Gasgesetz n R T = p V Gültig für: Teilchen ohne Eigenvolumen Teilchen ohne Wechselwirkungen zu anderen

31 Wechselwirkungen zwischen Atomen Sekundäre Wechselwirkungen Aggregatzustände flüssig festes Volumen (wenig/nicht komprimierbar) keine feste Form im Mittel isotrope Umgebung eines Teilchens

32 Wechselwirkungen zwischen Atomen Sekundäre Wechselwirkungen Aggregatzustände fest festes Volumen (nicht komprimierbar) feste Form anisotrope Umgebung eines Teilchens

33 Wechselwirkungen zwischen Atomen Sekundäre Wechselwirkungen Statische Dipole

34 Wechselwirkungen zwischen Atomen Sekundäre Wechselwirkungen Induzierte Dipole

35 Wechselwirkungen zwischen Atomen Sekundäre Wechselwirkungen Wasserstoffbrückenbindungen D δ H δ+ A δ zum Teil sehr stark elektrostatisch, aber auch kovalente Anteile O und N typische Donoren aber auch C O, N und X typische Akzeptoren aber auch π-systeme