PP C12 03 Chemische Bindung PDF

Chemische Bindung LEHRPLAN Bindungstypen: Metallbindung (Elektronengasmodell), Elektronenpaarbindung (kovalente Bindung), Ionenbindung Wechselwirkungstypen: London-Dispersions-Wechselwirkungen, Dipol-Dipol- Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken, Ion-Dipol-Wechselwirkung...

Chemische Bindung LEHRPLAN Bindungstypen: Metallbindung (Elektronengasmodell), Elektronenpaarbindung (kovalente Bindung), Ionenbindung Wechselwirkungstypen: London-Dispersions-Wechselwirkungen, Dipol-Dipol- Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken, Ion-Dipol-Wechselwirkungen Doppelspaltexperiment mit Elektronen: Interferenzmuster, Welle-Teilchen-Dualismus; Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation Orbitale: aus der Anziehung zu den Kernen und den übrigen Elektronen mathematisch ableitbare Wellenfunktion der Elektronen; Betragsquadrate der Wellenfunktionen (|ψ|²): Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für Elektronen, dreidimensional bildhafte Darstellungen von Atom- und Molekülorbitalen Molekülorbitale durch Linearkombination von Atomorbitalen (LCAO-Modell); Orbitalerhalt; bindende und antibindende Molekülorbitale Bildung von σ-Molekülorbitalen u. a. durch end-on-Überlagerung von Atomorbitalen; Bildung von π-Molekülorbitalen durch side-on-Überlagerung von p-Atomorbitalen; Bindungsverhältnisse in zweiatomigen Element-Molekülen (z. B. H2, F2, N2, O2) Energieniveau-Schema der Bildung der σ- und π-Molekül-Orbitale für einfache Moleküle, höchstes besetztes und niedrigstes unbesetztes Energieniveau (HOMO/LUMO) Molecular Modelling: dreidimensionale Darstellung der bindenden und antibindenden Molekülorbitale Hybridisierung in Abhängigkeit von der Zahl der Bindungspartner: sp³-, sp²- und sp- Hybridorbitale; isolierte, kumulierte und konjugierte π-Bindungen, Mesomerie Überblick über die Stoffklassen; Vergleich ausgewählter Eigenschaften, u. a. elektrische Leitfähigkeit, Schmelz- und Siedetemperaturen; Metall- und Ionengitter Chemische Bindung - Bindungstypen Ionenbindung Chemische Bindungstypen Kovalente Bindung Metallbindung „Elektronenpaarbindung“ Chemische Bindung - Bindungstypen Bindungstypen: Metallbindung Datei:Hennig Brand (Joseph Wright).jpeg Ein Metallgitter wird zusammengehalten durch elektrische Anziehungskräfte zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und den negativ geladenen, frei beweglichen Elektronen (Elektronengas). B A B A a) Hexagonal dichteste Kugelpackung C B A b) kubisch dichteste Kugelpackung A B A Chemische Bindung - Bindungstypen Bindungstypen: Metallbindung Animation zur Elektrischen Animation zur Verformbarkeit Leitfähigkeit von Metallen c.c. Buchner c.c. Buchner https://dl.ccb- https://dl.ccb- online.de/chemie/it7_ele online.de/chemie/it6_ ktrische-leitfaehigkeit/ metallbindung/ Chemische Bindung - Bindungstypen Ionenbindung Chemische Bindungstypen Kovalente Bindung Metallbindung „Elektronenpaarbindung“ „Überall zu Hause“ Chemische Bindung - Bindungstypen Bindungstypen: Ionenbindung https://embed.molview.org/v1/ ?mode=balls&codid=1000043 https://www.click-and- teach.de/h5p/id/281315 Chemische Bindung - Bindungstypen Bindungstypen: Ionenbindung Elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den Anionen und Kationen eines Ionengitters wirken in alle Raumrichtungen. Sie sind der Grund für den starken Zusammenhalt der Ionen im Gitter. Dieser ist umso größer, je kleiner der Radius der Ionen und je höher deren Ladung ist. Chemische Bindung Wechselwirkungstypen: Ion-Dipol-Wechselwirkungen Beim Lösen eines Salzes in Wasser entsteht eine Hydrathülle um die einzelnen Ionen des Salzes durch 4 Wassermoleküle (Lösevorgang). Chemische Bindung - Wechselwirkungstypen Die Atome in Molekülen werden durch gemeinsame Elektronenpaare zusammengehalten. Die Bindungselektronen können zu einem Atom hin verschoben sein ( polar) oder sich bevorzugt genau zwischen den beiden Atomen aufhalten (unpolar). Alle physikalischen Eigenschaften werden maßgeblich von Vorgängen auf der Teilchenebene bestimmt, bei Molekülen von der Art und Stärke der zwischenmolekularen Wechselwirkungen. Schmelztemperatur Löslichkeit Siedetemperatur Viskosität (Zähflüssigkeit) … Wechselwirkungstypen: London-Dispersions-Wechselwirkungen Dipol-Dipol- Wechselwirkung Stärke Wasserstoffbrücken Dipol-Ionenbindung Chemische Bindung - Wechselwirkungstypen Wechselwirkungstypen: London-Dispersions-Wechselwirkungen Das lässt sich abschätzen: Δ EN ≤ 0,4 : (nahezu) unpolare Elektronenpaarbindung Δ EN > 0,4 : polare Elektronenpaarbindung Siedetemperatur unpolarer Stoffe? Dennoch: London-Dispersionswechselwirkung bei unpolaren Stoffen: Chemische Bindung - Wechselwirkungstypen Wechselwirkungstypen: Dipol-Dipol-Wechselwirkungen Chemische Bindung - Wechselwirkungstypen Wechselwirkungstypen: Wasserstoffbrücken „H an F, O oder N und freies Elektronenpaar“ Chemische Bindung - Bindungstypen Ionenbindung „Geben oder Nehmen!“ „Geschwisterliches Teilen“ Chemische Bindungstypen Kovalente Bindung Metallbindung „Elektronenpaarbindung“ „Überall zu Hause“ Chemische Bindung - Bindungstypen Bindungstypen: Elektronenpaarbindung (kovalente Bindung) Gleichgewichtszustand zwischen Kern-Elektron-Anziehungskräften (rote Pfeile) und Abstoßungs-kräften zwischen gleichnamigen Ladungen (blaue Pfeile) Moleküle sind Ansammlungen von Atomkernen und zugehörigen Elektronen, wobei alle Teilchen untereinander in Wechselwirkung stehen Chemische Bindung - Bindungstypen Bindungstypen: Elektronenpaarbindung (kovalente Bindung) Chemische Bindung Wie halten Elektronen Moleküle zusammen und was sind sie überhaupt? Richard FEYNMAN: "Wer glaubt, die Albert EINSTEIN: "Je mehr man Quantentheorie verstanden zu den Quanten nachjagt, desto haben, hat sie nicht verstanden." mehr verstecken sie sich." Max BORN: "Die Quanten sind doch eine hoffnungslose Schweinerei." https://phet.colorado.edu/sims/ html/wave- interference/latest/wave- interference_de.html Doppelspaltexperiment mit Elektronen: Interferenzmuster Chemische Bindung Doppelspaltexperiment mit Elektronen: Interferenzmuster https://www.leifiphysik.de/qu antenphysik/quantenobjekt- elektron/downloads/quanteno bjekte-doppelspaltversuch- mit-quantenobjekten- animation Chemische Bindung Licht Welle-Teilchen? Fragen wir Dr. Quantum: Chemische Bindung - Doppelspaltexperiment Doppelspaltexperiment mit Elektronen: Interferenzmuster, Welle-Teilchen- Dualismus; Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation De Broglie: https://www.leifiphysik.de/ atomphysik/bohrsches- atommodell/versuche/boh rsches-modell-des- wasserstoffatoms- simulation Chemische Bindung - Erkenntnisse Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen und somit Quantenobjekte; für sie gelten die Gesetze der Quantenmechanik Man kann den Ort und den Impuls von Quantenobjekten gleichzeitig nicht beliebig genau bestimmen. Elektronen können als Teilchen oder Welle beschrieben werden (Welle- Teilchen-Dualismus) Wellen können mathematisch durch Wellenfunktionen ᴪ „PSI“ beschrieben werden 1927 Heisenberg „Unbestimmtheitsrelation“ 1924 de Broglie „Welle Teilchen Dualismus“ λ: Wellenlänge p: Impuls h: Planksches Wirkungsquantum (Konstante) x: Ort "Montag, Mittwoch und Freitag ist das Licht eine Welle, Dienstag, Donnerstag und Samstag ist es ein Teilchen und am Sonntag ruht es." Chemische Bindung Schrödinger-Gleichung Es bedeuten: V potentielle Energie des Elektrons, m Masse des Elektrons, h Plank-Konstante, E Elektronenenergie für eine bestimmte Wellenfunktion Ψ PSI „Diejenigen Wellenfunktionen, die Lösungen der Schrödinger-Gleichung sind, werden Eigenfunktionen genannt; die Energiewerte, die zu den Eigenfunktionen gehören, nennt man Eigenwerte. Die Eigenfunktionen beschreiben also die möglichen stationären Schwingungszustände im Wasserstoffatom!“ https://www.kippenbergs. de/de/mint-schroedinger Chemische Bindung Schrödinger-Gleichung Betragsquadrate der Wellenfunktionen (|ψ|²): Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für Elektronen (Tunneleffekt: Quantenmechanische Objekte können Bereiche überwinden ("untertunneln"), in denen sie sich nicht aufhalten dürften (Wahrscheinlichkeitsdichte = 0).) Chemische Bindung Mit der SCHRÖDINGER -Gleichung werden die Wellenfunktionen für Elektronen in Atomen berechnet. Die Lösung der Schrödinger-Gleichung gibt Auskunft über die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten des Elektrons. Dabei ergeben sich unterschiedlich geformte Aufenthaltsbereiche, die Atomorbitale. Chemische Bindung – Orbitale Orbitale: aus der Anziehung zu den Kernen und den übrigen Elektronen mathematisch ableitbare Wellenfunktion der Elektronen; Betragsquadrate der Wellenfunktionen (|ψ|²): Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für Elektronen, dreidimensional bildhafte Darstellungen von Atom- und Molekülorbitalen Neon Atom Chemische Bindung – Orbitale Übung Molecular Modelling Atome der 2. Periode im Kugelwolken (Kimball) - Modell Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Molekülorbitale durch Linearkombination von Atomorbitalen (LCAO-Modell); Orbitalerhalt; bindende und antibindende Molekülorbitale Bindungstheorien „Valence-bond-theory“ „Molecular orbital theory“ Valenzbindungstheorie (Molekülorbitaltheorie) VB MO Zwei verschiedene Methoden, die das gleiche Molekül beschreiben. Beide haben Vor- und Nachteile! Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Bildung eines Wasserstoffmoleküls Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Linearkombination zweier Wellenfunktionen nach Schrödinger: Addition (hellblau, gestrichelt) bzw. Subtraktion (rosa, gepunktet) der Wellenfunktionen der Elektronen der beiden Atome A (rot) und B (blau) Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Bei der Molekülorbital-Theorie werden die Wechselwirkungen zwischen allen Elektronen und Kernen der am Molekül beteiligten Atome beachtet. Molekülorbitale (MO) entstehen durch Linearkombination von Atomorbitalen (AO). Dadurch werden die wahrscheinlichsten Aufenthaltsorte von Elektronen zwischen zwei Atomen bestimmt. Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Bei der Molekülorbital-Theorie werden die Wechselwirkungen zwischen allen Elektronen und Kernen der am Molekül beteiligten Atome beachtet. Molekülorbitale (MO) entstehen durch Linearkombination von Atomorbitalen (AO). Dadurch werden die wahrscheinlichsten Aufenthaltsorte von Elektronen zwischen zwei Atomen bestimmt. Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Erstreckt sich die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen über beide an der Bindung beteiligten AOs, bildet sich ein bindendes σ -MO. Es liegt energetisch niedriger als das antibindende MO, das in zwei getrennte Bereiche aufgeteilt ist. Das energetisch höchstgelegene, besetzte MO eines Moleküls wird als HOMO bezeichnet, das energetisch niedrigstgelegene, unbesetzte MO als LUMO. Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Durch end-on-Überlagerung von 2p- Orbitalen entstehen rotationssymmetrische σ -Orbitale, durch side-on-Überlagerung entstehen π-Orbitale. Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Übung: O2 Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Übung: Chemische Bindung – VB Theorie mit dem EPA-Model Was wir aus Experimenten wissen: Molekülgestalt, Bindungswinkel, Bindungslänge, Methan-Molekül Ethan-Molekül alle C-H-Bindungen 154 pm H gleich lang, 109 pm H H H C C H C H Molekülgestalt: H Molekülgestalt: 109° doppel-tetraedrisch H tetraedrisch H H 109° Ethen-Molekül: Ethin-Molekül: 133 pm 120 pm H H C C 117° H C C H H H Molekülgestalt: Molekülgestalt: 121,5° trigonal-planar 180° linear Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Wie lässt sich die tetraedrische Molekülgestalt des Methan-Moleküls mit Hilfe der Orbitalvorstellung erklären? H H H H ? 109,5° C C 90° H H H H Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Methan-Molekül CH4 Röntgenstrukturanalyse: Atomorbitale aus Spektren berechnet: 4 Wasserstoff-Atome 4 x 1s Atomorbital sind tetraedrisch um das Kohlenstoff-Atom 2s Atomorbital, px-, py- und pz-Atomorbital angeordnet; Welche Molekülorbitale resultieren? 109° Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Methan-Molekül CH4 Lassen sich die Bindungsverhältnisse in mehratomigen Molekülen auch ohne schwierige Berechnungen vorhersagen? 109° Zwischen allen 8 Atomorbitalen lassen sich bindende Molekülorbitale ausbilden Linus Pauling, Nobelpreis 1954 P „Form“ der resultierenden Molekülorbitale? Durch Berechnung: 1 + 2 +3 +4 + …. Das Quadrat der Lösungen 1 - 2 +3 +4 + …. liefert Antreffwahrscheinlichkeit für Elektronen => MO´s 1 - 2 -3 +4 + …. …. Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Molekülorbitaltheorie mit Hybridisierung Vereinfachung: „Mathematisches Mischen“ der Atomorbitale des Kohlenstoff-Atoms Atomorbitale des Wasserstoff-Atoms werden zunächst nicht betrachtet Kohlenstoff- 2s AO 2p AO Atomorbitale mischen Hybrid-Orbitale 1 + 2 2 q Hybrid-Orbitale 1 - 2 Was fehlt beim sp – hybridisiertes Kohlenstoff-Atom? Kohlenstoff-Atom Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO ? Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO sp3- Hybridisierung = Kombination von 1 x 2s- und 3 x 2p-Atomorbitalen des C-Atoms 2s 2px 2py 2pz Kohlenstoff- Atomorbitale mischen Hybrid-Orbitale 4 q Hybrid-Orbitale sp3 – hybridisiertes Kohlenstoff-Atom Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO C-Atom mit 4 Bindungspartnern: sp3-Hybridorbitale im Methan-Molekül H 109° C H s-AO 3 x p-AO H H Tetraeder; H 4 -Bindungen Hybridisierung Überlagerung H 4 Bindungs- von sp3- und 1s- partner Orbitalen C C C H H H H H Tetraedrische H Anordnung von 4 bindende 4 q-Hybridorbitalen - = sp3- Molekülorbitale Hybridorbitalen Es entstehen auch 4 antibindende MO´s, die - da unbesetzt - vernachlässigt werden können  Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO C-Atome mit 4 Bindungspartnern: sp3-Hybridorbitale im Ethan-Molekül s-AO 3 x p- s-AO 3 x p- AO AO Hybridisierung Tetraedrische Anordnung von C 4 q-Hybridorbitalen C = sp3-Hybrid H H H C C H H H H H H H H H C C H H H H H H Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO C-Atom mit 3 Bindungspartnern: H H sp2-Hybridorbitale und -Bindung im Ethen-Molekül C C H H + + 2s-AO 2px-AO 2py-AO 2pz-AO unbeteiligtes C + pz-Orbital 3 sp2- 2pz-AO Hybridorbitale in -Bindung der Ebene H H H H CC + C C C H H H H -Bindungen -Bindungen Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Darstellungsmöglichkeiten für die Bindungsverhältnisse im Ethen-Molekül Molekülorbitaltheorie Elektronendichteverteilung mit Hybridisierung an der Moleküloberfläche -Bindungen als Striche Elektrische Abstoßung durch -Elektronenwolke -Bindungen und -Bindung als Striche Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Beispiel Ethen-Molekül: Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO C-Atom mit zwei Bindungspartnern: H C C H sp-Hybridorbitale und -Bindungen im Ethin-Molekül + + 2s-AO 2px-AO 2py-AO 2pz-AO unbeteiligte py- C + und pz-Orbitale H + C + C + H H C C H 2 sp-hybridisierte C-Atome Linear angeordnete -Bindungen 2 x 2 p-Orbitale 2 aufeinander senkrecht stehende -Bindungen Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Elektronendichte im Ethin-Molekül Elektronendichteverteilung Elektrische Abstoßung an der Moleküloberfläche durch -Elektronenwolke Seitliche In-Phase-Überlagerung der -Orbitale führt zu ringförmiger Elektronenwolke Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Beispiel Ethin-Molekül: Die Hybridisierung ist eine mathematische Operation, bei der Atomorbitale miteinander vermischt werden, um die Struktur von Molekülen korrekt zu beschreiben. Ihre Vorhersagen der Molekülgeometrie stimmen mit denen des EPA-Modells überein. Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO https://www.click-and- teach.de/h5p/id/286993 Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Aufgaben 1. a) Wie viele Hybridorbitale entstehen durch Hybridisierung eines s- und eines p- Orbitals? b) Wie bezeichnet man die entstehenden Hybridorbitale? c) Zeichnen Sie die Hybridorbitale 2. Wie nennt man die in der folgenden Zeichnung dargestellten Hybridorbitale? b) Geben Sie eine Erklärung für die Bezeichnung der Hybridorbitale c) Welche der Orbitale s, px, py, pz bilden diese Hybridorbitale? Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Bindende und antibindende -Molekülorbitale im Buta-1,3- dien Merke: Treten in einem Molekül mehrere konjugierte Doppelbindungen auf, können die p-Orbitale zu einem riesigen Molekülorbital (Bindungselektronenwolke) , einem sog. delokalisierten -Elektronen-system überlagern. Solche delokalisierten Elektronensysteme sind energetisch besonders günstig. Butadien_mesomerie Bildnachweis: Wikipedia Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Bindungsverhältnisse und Strukturformel des Buta-1,3-dien sp2 sp2 H H C C H H C C H H sp2 sp2 Bindungswinkel ? alle 120 ° H H C C H H C C H H Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Aufgabe: Lass dir über den Button links oben die Molekülorbitale anzeigen. Mit Hilfe eines der bindenden MO‘s lässt sich die verkürzte Einfachbindung erklären. Suche dasjenige MO raus, das deiner Meinung nach am besten für die Erklärung herangezogen werden kann.  Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Molekülorbitale im Benzol- Molekül C6H6 Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Im Benzol-Molekül sind alle C-C-Bindungen gleich lang. Entscheide, welche bildhafte Darstellung der Molekülorbitale im Benzol-Molekül diese Beobachtung am besten erklärt. Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Merke: Warum absorbieren Moleküle mit ausgedehnten delokalisierten Elektronensystemen im längerwelligen Bereich? Durch Absorption von Licht werden Elektronen vom höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO-Energiestufe) in das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO-Energiestufe) angeregt. Chemische Bindung – Molekülorbitale LCAO Energiediagramme der MOs im Buta-1,3-dien- Moleküle Energiediagramme der MOs von Polyen- Molekülen mit 6,8 und 10 C-Atomen Hexa-1,3,5-trien Energiediagramme der MOs von Polyen- Molekülen mit 6,8 und 10 C- Atomen Octa-1,3,5,7-tetraen Energiediagramme der MOs von Polyen- Molekülen mit 6,8 und 10 C- Atomen Deca-1,3,5,7,9-pentaen Orbitalenergie der HOMOs und LUMOs von Alken- Molekülen mit konjugierten Doppelbindung Orbital Energy Orbital Energy Molekül Δ EO (HOMO-LUMO) HOMO LUMO Ethen -10,3 eV 5,1 eV 15,4 eV Butan-1,3-dien -8,8 eV 3,6 eV 12,4 eV Hexa-1,3,5-trien -8,1 eV 2,8 eV 10,9 eV Octa-1,3,5,7-tetraen -7,6 eV 2,3 eV 9,9 eV Deca-1,3,5,7,9-pentaen -7,3 eV 1,9 eV 9,2 eV Energiediagramme der MOs von Polyenen mit 6, 8 und 10 C-Atomen Mit zunehmender Zahl an -MO´s wird der energetische Abstand zwischen HOMO und LUMO immer kleiner und somit das zur Elektronenanregung notwendige Licht immer energieärmer und langwelliger.