Kapitel 1 - Bindung - 2024 PDF

Kapitel 1: Bindungen in Festkörpern 1.1 Bindungstypen und Kristallstrukturen 1.2 Bindungsenergie und Schmelztemperaturen (Lindemann Kriterium, Refractory Metals & Compounds) 1.3 Kovalente Bindung (LCOA, Hybridisierung, Graphen, Car...

Kapitel 1: Bindungen in Festkörpern 1.1 Bindungstypen und Kristallstrukturen 1.2 Bindungsenergie und Schmelztemperaturen (Lindemann Kriterium, Refractory Metals & Compounds) 1.3 Kovalente Bindung (LCOA, Hybridisierung, Graphen, Carbon Nanotubes, Chemical Vapor Deposition) 1.4 Ionenbindung (Elektronegativität, Madelungkonstante, Madelungenergie, Bindungsenergie & Bandlücke) 1.5 Metallische Bindung (Bindungsenergien) 1.6 Van-der-Waals-Bindung (Lennard-Jones-Potential, He- Kristall, 2D-Materialien, Van-der-Waals-Heterostrukturen) 1.7 Wasserstoffbrückenbindung (Bindungsenergien, Wasser/Eis, DNA) 1 Institut für Festkörperphysik 1 AG Kneissl 1 Bindungen in Festkörpern: Zusammenfassung In diesem Kapitel werden qualitativ die Mechanismen diskutiert, die zu einer festen Bindung der Atome in einem Festkörper führen. Dieses Problem ist praktisch nicht exakt lösbar, da ein Vielteilchenproblem zu lösen ist. Mit numerischen Methoden sind heute jedoch auf Supercomputern schon recht gute Ergebnisse erhältlich. Zu diesem Zwecke werden und müssen auf Grund der begrenzten Fähigkeiten der Rechner aber immer noch viele nicht überschaubare Näherungen gemacht werden. Die Situation ist also insgesamt noch unbefriedigend und weit davon entfernt, dass man Strukturen und physikalische Eigenschaften auf Grund vorgegebener Atomsorten und äußerer Parameter vorherbestimmen kann. Ein Problem ist dabei auch, dass die typischen Fest- körperbindungsenergien (Größenordnung 1eV) als kleine Änderungen der hohen atomaren Energie (z.B. 100 eV) berechnet werden müssen. Analytisch werden meist die Vielteilchenprobleme in Einteilchenprobleme überführt, für die man die Gleichung lösen kann. Dies erlaubt öfters auch einfache qualitative Beschreibungen. 2 Institut für Festkörperphysik 2 AG Kneissl 2 1  Bindungen in Festkörpern: Zusammenfassung Generell ergibt sich eine reduzierte Gesamtenergie im Festkörper durch den Überlapp der atomaren Orbitale. Dieser ist insbesondere für die äußeren Elektronen (Valenz- Elektronen) besonders groß. Der Festkörper wird deshalb in Ionenrümpfe (Core) und Valenzelektronen aufgeteilt. Die Cores enthalten die positiv geladenen Atomkerne und die stark gebundenen Elektronen. Die Cores wechselwirken über Coulomb Kräfte mit den äußeren Elektronen. Die Vernachlässigung der Elektron-Elektron- Wechselwirkung führt zu separierbaren Einelektronenproblemen. Der Überlapp der atomaren Orbitale mehrerer Atome ergibt eine Aufspaltung der Energieniveaus und eine Veränderung der Ladungsverteilung. Ist diese maximal zwischen den Atomen spricht man von kovalenten Bindung, bei Häufung an den Atomen von ionischer Bindung und bei gleichmässiger Verteilung von metallischer Bindung. Die sogenannte Van-der-Waals-Bindung beschreibt restliche Dipol-Dipol- Wechselwirkungen zwischen ladungsneutralen molekularen Bausteinen und trägt mit einer Beteiligung von ca. 10% immer zu der Bindungsenergie in Festkörpern bei. Abgesehen von der Van-der-Waals-Bindung betragen die Bindungsenergien im Festkörper ca. 1...10 eV/Atom (100-1000 kJ/Mol). Diese Werte können experimentell dadurch bestimmt werden, dass man durch Energiezufuhr (thermisch, optisch) Atome aus dem Festkörper entfernt. 3 Institut für Festkörperphysik 3 AG Kneissl 3 Bindungstypen und Kristallstrukturen CaF2 4 Institut für Festkörperphysik 4 AG Kneissl 4 2  Bindungstypen und Kristallstrukturen Mg Nb Ho-Mg-Zn 5 Institut für Festkörperphysik 5 AG Kneissl 5 Bindungstypen und Kristallstrukturen 6 Institut für Festkörperphysik 6 AG Kneissl 6 3  Semiconductor crystals found in nature Crystal Bandgap Galena (PbS): 0.37 eV Pyrite (FeS2): 0.95 eV Pyrolusite (MnO2): ~1.3 eV Zincblende (ZnS): 3.4 eV Diamond (C): 5.5 eV Zincblende crystal (ZnS) Galena crystal (dt. Galenit, Bleiglanz, PbS) Pyrite crystal (dt. Pyrit, Katzengold. FeS2) Diamond crystal (C) Pyrolusite dendrites on a limestone (dt. Pyrolusit, MnO2) 7 Institut für Festkörperphysik 7 AG Kneissl 7 Nobel Prize 1909 in Physics – Wireless Telegraphy “… I found in 1874 that materials such as galena, pyrite, pyrolusite, tetrahedrite, etc., departed from Ohm’s Law, particularly when an electrode made contact over a small surface area. These materials greatly interested me since they conduct without electrolysis although they are binary compounds. The resistance appeared to be dependent upon the direction and intensity of the current …” Nobelpreisrede K.F. Braun’s 1909 in Stockholm Karl Ferdinand Braun (1850-1918) Nobel prize 1909 in physics for "contributions to the development of wireless telegraphy “ “Cat’s whisker detector” auf Galenit (PbS) 8 Institut für Festkörperphysik 8 AG Kneissl 8 4  Bindungen in Festkörpern H H O H O H H2O (Wasserstoffbrückenb.) 9 Institut für Festkörperphysik 9 AG Kneissl 9 Schmelztemperatur und Bindungsenergie der chemischen Elemente 10 Institut für Festkörperphysik 10 AG Kneissl 10 5  Melting temperatures and binding energies (top) Melting temperature as a function of cohesive energy for the elements. (bottom) Melting temperature as a function of the estimated melting temperature from the Lindemann criterion. Lindemann’s melting criterion: Melting of a 3D solid occurs when the square root of the particle mean- squared displacement from the equilibrium position reaches a threshold value (i.e. 0.1 - 0.3 of the interparticle distance). Source: F. Lindemann, Z. Phys. 11, 609 (1910) 11 Institut für Festkörperphysik 11 AG Kneissl 11 Debye Temperaturen der Elemente D D  18.0 kB 12 Institut für Festkörperphysik 12 AG Kneissl 12 6  The search for new refractory compounds Top: Computed cohesive energy as a function of the experimental melting temperature. Right: Dendritic microstructure of Ta0.8Hf0.2C after repeated melting Sources: K. Sankaran et al., ECS Journal of Solid State Science & Technology 4, © SpaceX N3127 (2015); Omar Cedillos-Barraza et al., Scientific Reports 6, 37962 (2016) Nozzle bell of 2nd stage Merlin 1D engine 13 Institut für Festkörperphysik 13 AG Kneissl 13 Atomorbitale 14 Institut für Festkörperphysik 14 AG Kneissl 14 7  Periodensystem der Elemente Ba Pt Ra 15 Institut für Festkörperphysik 15 AG Kneissl 15 Einfachstes Modell der kovalenten Bindung: Das H2+ - Molekül-Ion Definition der Größen beim H2+ Molekül SGL für H2+ Molekül Bindende und antibindende Kombination von Atomorbitalen. Die bindende Kombination s führt zu einer Anhäufung der Elektronendichte zwischen den Kernen, was zu einer Absenkung der Coulomb- Energie führt. Aufspaltung der Atomniveaus in bindenden und antibindenden Zustand. Die größte Bin- dungsenergie wird gewonnen, wenn gerade der bindende Zustand voll, d.h. mit zwei Elektronen, besetzt und der antibindende leer ist. 16 Institut für Festkörperphysik 16 AG Kneissl 16 8  Energiefunktion für das bindende und anti-bindenden Zustand beim H2+ - Molekül HAB Austauschterm SAB Überlappintegral (beide R-abhängig) aB = 0.529 Angstroem Die Energiedifferenz De = Es(R0) − E1s = −1.77 eV ist negativ. Diese Energie wird auch als Dissoziationsenergie bezeichnet und entspricht der Energie die notwendig ist, um das Molekül wieder in ein Proton und ein Wasserstoffatom zu trennen. 17 Institut für Festkörperphysik 17 AG Kneissl 17 Energiekurve und Elektronendichte (symm. Wfkt.) für ein H2-Molekül Bindungsenergie H2: 4.74 eV (experimentell) 18 Institut für Festkörperphysik 18 AG Kneissl 18 9  Atomorbitale s pz Absolutwert des Winkelanteils der Atom-Orbitale mit l=0, 1 und 2. Die s-Funktion ist isotrop, die drei p-Funktionen p x , p y und pz besitzen als Vorzugsrichtung die x-, y- bzw. z-Achse. Von den fünf d-Funktionen sind nur dz 2 und d xy angegeben. d x2 -y 2d yz und d zx sind lediglich anders orientiert. dxy dz2 19 Institut für Festkörperphysik 19 AG Kneissl 19 Beispiele für Molekülorbitale & kovalente Bindungen -Bindung bindend anti-binded (bingungslockernd) anti-binded -Bindung bindend -Bindung bindend -Bindung (bindend) anti-binded 20 Institut für Festkörperphysik 20 AG Kneissl 20 10  Bindungslängen kovalent gebundener Atome Bindungslängen kovalenter chemischer Bindungen zwischen ausgewählten Elementen. Die genaue Bindungslänge hängt von der räumlichen und chemischen Umgebung der jeweiligen Bindung ab. aB = 52.9 pm *alle Angaben in Picometern, 1 pm = 10-12 m F. H. Allen, D. G. Watson, L. Brammer, A. G. Orpen, R. Taylor: Typical interatomic distances: organic compounds. In: Mathematical, physical and chemical tables, (2006), DOI 10.1107/97809553602060000621 21 Institut für Festkörperphysik 21 AG Kneissl 21 sp3-Hybridorbital bei der Bindung des CH4-Molekül Die tetraedrische Konfiguration (Tetraederwinkel = 109,46°) ist eine Folge der dadurch ermöglichten periodischen Anordnung im dreidimen- sionalen Raum und der Ausbildung von sp3 -Hybrid Orbitalen 1 bis 4 aus den Wellenfunktionen s, px , py , pz 22 Institut für Festkörperphysik 22 AG Kneissl 22 11  Diamantstruktur Die von jeweils vier Atomen umgebenen Zentralatome der Tetraeder liegen in den Oktantenmitten. Die Verbindungslinien zu diesen Nachbarn sind in dem hervorgehobenen Oktanten ausgezogen, in den übrigen gestrichelt gezeichnet. 23 Institut für Festkörperphysik 23 AG Kneissl 23 Energieniveauaufspaltung im Diamantkristall „s-artig“ 2 p2 sp3-Hybrid 2 s2 „p-artig“ - Annäherung führt zur Aufspaltung in höher- und tieferliegende Energieniveaus, sp3-Hybrid - Große Anzahl von Kohlenstoffatomen im FK => Energiebänder - Im Gleichgewichtsabstand: Bandlücke, VB mit Ladungsträgen besetzt, LB unbesetzt 24 (Quelle: M. Grundmann, „The Physics of Semiconductors“, Springer 2006) Institut für Festkörperphysik 24 AG Kneissl 24 12  Bandstruktur von Diamant und Silizium im k-Raum Indirect Bandgap: 5.46 eV Indirect Bandgap: 1.12 eV Energy gap (EΓ) 7.3 eV Energy gap (EΓ) 4.2 eV Source: www.nextnano.de 25 Institut für Festkörperphysik 25 AG Kneissl 25 Correlation between bonding energy and bandgap energy Dependence of the band-gap energy on the single-bond energy for different single and compound semiconductors (semiconductors for which the band-gap energy is unknown or uncertain are symbolized by a half-filled circle). Manca found a linear correlation between the band-gap energy (Eg) and single-bond energy (Es), for binary semiconductors of tetrahedral coordination: Eg = a (Es - b) where a and b are characteristic constants of the series Source: Pietrino Manca, J. Phys. Chem. Solids 20, 268 (1961) 26 Institut für Festkörperphysik 26 AG Kneissl 26 13  Hybridisierungstypen Modifikationen des elementaren Kohlenstoffs. Typ Konfiguration Beispiel sp 2, linear (180o) C2H2 sp2 3, eben (120o) C2H4 sp3 4, tetraedrisch CH4 sp2d 4, eben (90o) XeF4 … 1996 Nobel Prize in Chemistry for Kroto, Curl, Smalley 27 Institut für Festkörperphysik 27 AG Kneissl 27 Nobel Prize in Physics 2010 - Graphene Andre Geim Konstantin Novoselov (both University of Manchester, UK) 2010 Nobel Prize in Physics Illustration of a graphene sheet … "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene" Source: www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010 28 Institut für Festkörperphysik 28 AG Kneissl 28 14  Graphene Graphite flakes on a SiO2/Si wafer Band structure of graphene STM image of graphene sheets Source: Physics Today, 35 (August 2007) Source: Nature 458, 390-391 (2009) 29 Institut für Festkörperphysik 29 AG Kneissl 29 Applications: 100 GHz graphene transistor demonstrated by IBM Transistors fabricated on epitaxial graphene synthesized on 2” SiC wafers Source: Y.M. Lin et al., Science 327, 662 (2010) 30 Institut für Festkörperphysik 30 AG Kneissl 30 15  Graphene, graphite, nanotubes and fullerenes Nanotubes cut to ribbons Source: Nature (2009), doi:10.1038/news.2009.367 Andre K. Geim, K.S. Novoselov, “The rise of graphene”, Nature Materials 6, 183 (2007) 31 Institut für Festkörperphysik 31 AG Kneissl 31 Herstellungsverfahren für Carbon Nanotubes Im Lichtbogenverfahren (arc discharge) wird in Heliumatmosphäre zwischen zwei Graphitelektroden Spannung erzeugt, wodurch es zum Stromfluss kommt. Bei Temperaturen von 3000 °C werden an einer Elektrode Kohlenstoffteilchen freigesetzt, die sich an der gegenüberliegenden Elektrode in Form von Nanotubes ablagern. Argon Nd:YAG Laser e.g., (532 nm, Copper 10Hz, 300mJ) (catalyst) Carbon nanotube "architechture" (graphite block) grown by CVD on Si substrate (Quelle: John Hart, MIT) Laserablation: Hierbei wird fester Kohlenstoff mit Hilfe von Laserenergie in die Gasphase überführt und mit Hilfe eines Trägergasstroms zu einem gekühlten Cu- Kollektor befördert, wo er sich in Form von Carbon Nanotubes abscheidet. Das Cu dient gleichzeitig auch als Katalyst. Die Ausbeute an SWCNT ist etwa 70% bei diesen Prozess. 32 Institut für Festkörperphysik 32 AG Kneissl 32 16  Chemical Vapor Deposition (CVD) of graphene and carbon nanotubes Oben: Anordnung von Graphen- Kohlenstoffatomen (schwarz) auf einer Ni(111) Oberfläche (grün). C-C Abstand in Graphen: 0.142 nm C-C Abstand auf Ni(111): 0.143 nm Links: STM einer graphene/Ni(111) Oberfläche (Quelle: Y. Dedkov et 2 nm al., Carbon, 121 (2017).) Hierbei wird kohlenstoffhaltiges Eduktgas (CH4, Ethen, CO,…) über einen metallischen Katalysator (Cu, Ni, beide fcc-Struktur) geleitet, an dem sich der Kohlenstoff in Form von Nanotubes, Nanofaser oder Graphene CVD auf (111) Ni Substrat (Quelle: Graphene abscheidet. Zhang et al., Nano Research 5, 402 (2012)) 33 Institut für Festkörperphysik 33 AG Kneissl 33 Seeded Growth of Graphene by Chemical Vapor Deposition (CVD) Quelle: Q. Yu et al., Nature Materials, Vol. 10, 443 (2011) 10 m 200 m Seeded growth of graphene grains. (a) SEM image showing an array of seed crystals patterned from a pre-grown multilayer graphene film on Cu foil by e-beam lithography. The period of the array is 16 μm. SEM images of a graphene grain array after 5 min (b) and 15 min (c) of growth time. 34 Institut für Festkörperphysik 34 AG Kneissl 34 17  2D-Semiconductor Materials & Van der Waals Heterostructures Building 2D van der Waals heterostructures 2D Van der Waals LED A.K. Geim et al., Nature 499, 419 (2013) Materials bulk bandgap 2D ML bandgap hBN 5.96 eV ~6 eV A,C: Schematic layer structure B,D: Cross-section TEM * MoS2 1.2 eV 1.9 eV F: LED device. * WS2 1.3 eV 2.1 eV Source: F. Withers et al., Nature Materials 14, *transition metal dichalcogenides (TMDCs) 301 (2015) 35 Institut für Festkörperphysik AG Kneissl 35 Die beiden typischen Strukturen für Ionenbindung in Festkörpern Cl- Na+ Cs+ Cl- NaCl-Struktur (fcc) CsCl-Struktur (bcc) 36 Institut für Festkörperphysik 36 AG Kneissl 36 18  Elektronenaffinität und Ionisationsenergie Ionisierungsenergie I in eV Elektronenaffinitäten A in eV Elektronegativität: X = 0.187ꞏ(I +A) + 0.17 (entsprechend der Pauling-Skala) L. Pauling, J. Am. Chem. Soc. 54, 3570 (1932) 37 Institut für Festkörperphysik 37 AG Kneissl 37 Bindungsenergie eines ionischen Kristalls und Madelungkonstante Potenzialverlauf bei der ionischen Bindung. Energie pro Ionenpaar eines NaCl-Kristalls, die sich aus der Madelung- Energie und dem abstoßenden Beitrag zusammensetzt. ~ q2 R U    Z NN e  4 0 R  bezeichnet die Madelungkonstante R (Å) NaCl (fcc):  = 1.7475 CsCl (bcc):  = 1.7627 Zinkblende:  = 1.6381 (GaAs) Wurtzit:  = 1.6410 (AlN) 38 Institut für Festkörperphysik 38 AG Kneissl 38 19  Atom- und Ionenradien Grafische Darstellung der Ionenradien der chemischen Elemente 39 Institut für Festkörperphysik 39 AG Kneissl 39 Elektronendichten der Valenzelektronen Äquipotentiallinien mit gleicher Elektronendichte in einem typischen Ionenkristall NaCl und in einem typischen kovalent gebundenen Si-Kristall. 40 Institut für Festkörperphysik 40 AG Kneissl 40 20  Elektronendichten der Valenzelektronen Source: R. Saravanan , Phys. Scr. 79, 048303 (2009) 2D electron density of silicon on the (-110) 2D electron density of GaAs on the (-110) plane. Contour range is 0.00–2.4 eÅ−3 and plane. Contour range is 0.15–2.0 eÅ−3. contour interval is 0.11 eÅ−3. Source: Ashcroft and Mermin (1976) 41 Institut für Festkörperphysik 41 AG Kneissl 41 Correlation between bonding energy and bandgap energy (II) Band-gap energy Eg vs. bond energy Es for 52 binary semiconductors and insulators. Bond energies for (CdSe, ZnTe, InN, ZnSe, ZnS and AIN approximate and were estimated by Pauling's equation. Vijh extended Manca’s empirical approximation to semiconductors and insulators with predominantly ionic bonds and also found a linear correlation between the band-gap energy (Eg) and single-bond energy (Es): Eg = 2 (Es - 2.5 eV) Source: Ashok K. Vijh, J. Phys. Chem. Solids 30, 1999 (1969) 42 Institut für Festkörperphysik 42 AG Kneissl 42 21  Metallische Bindung am Beispiel von Nickel Die Amplitude der 2pz-, 3dz2 - und der 4s-Wellenfunktion von Nickel. Die halbe Entfernung zu den nächsten Nachbarn (1, 2, 3) sind zum Vergleich mit eingetragen. 43 Institut für Festkörperphysik 43 AG Kneissl 43 Metallische Bindung Beiträge der kinetischen und potenziellen Energie zur metallischen Bindung aufgetragen gegen den auf den Bohrschen Radius normierten Abstand. 44 Institut für Festkörperphysik 44 AG Kneissl 44 22  Van der Waals Bindung Reine Van der Waals Bindungen treten nur bei Atome mit voll gefüllten Elektronenschalen auf (z.B. Edelgase) und gesättigten Molekülen bei denen andere Bindungen nicht möglich sind. Momentane Ladungsdichtefluktuationen erzeugen elektrisches Dipolmoment in einer Typische Bindungsenergien: ~ 10 meV kugelsymmetrischen Ladungsverteilung. Van der Waals WW Potential zwischen zwei neutralen Atomen A und B:  A B EVdW ( R )  C R6 Induziertes Dipolmoment durch Polarisierung der Elektronenhülle. 45 Institut für Festkörperphysik 45 AG Kneissl 45 Van der Waals Bindung Lennard-Jones-Potential:   12   6  E pot ( r )  4        r   r   Verlauf der potentiellen Energie von Edelgaskristallen als Funktion von r/ , berechnet für Argon. Der Gleich- gewichtsabstand beträgt r0 =1,122. 46 Institut für Festkörperphysik 46 AG Kneissl 46 23  Van der Waals Bindung The potential energy of pairs of different inert gas atoms as a function of their distance apart in Angstroem. Distance [Angstroem] Source: J. E. Lennard-Jones, The Proceedings of the Physical Society, Vol. 43 (5), 31 (1931). 6 meV 9 meV *Note: 1 erg = 6.24*1014 meV 47 Institut für Festkörperphysik 47 AG Kneissl 47 Helium crystals Facets of 4He crystals Source: ”The surface of helium crystals” by S. Balibar et al., Reviews of Modern Physics 77, 317 (2005) 1.4 K The crystals are ~1 cm wide. Phase diagram of solid and liquid helium 1K Solid 0.4 K Normal liquid Superfluid 0.1 K Source: Kim et al., Science 305, 1942 (2004) 48 Institut für Festkörperphysik 48 AG Kneissl 48 24  Van der Waals Heterostructures from 2D Materials 2D-Materialien können Metalle, Supraleiter, Halbmetalle, Halbleiter oder Isolatoren sein. Quelle: C. Stampfer et al., Physik Journal 18, 29 (2019) Beispiele von Van derWaals-Heterostrukturen: Graphen auf h-BN und Graphen auf Graphen mit verschiedenen Verdrehwinkel erzeugen periodische Übergitter oder Moiré-Muster. Quelle: C. Stampfer et al., Physik Journal 18, 29 (2019) 49 Institut für Festkörperphysik 49 AG Kneissl 49 Van der Waals Heterostructures from 2D Materials Building van der Waals heterostructures Source: A. K. Geim et al., Nature 419, 499 (2013) 2D van der Waals Material Flash Memory Source:B. Radisavljevic et al., Integrated Circuits and Logic Operations Based on Single- Layer MoS2, ACS Nano, 5, 9934 (2011) 50 Institut für Festkörperphysik 50 AG Kneissl 50 25  Van der Waals Interaction in Gecko Setae (“Borste” oder “Haar”) A Gecko foot has about 500.000 setae each consisting of approximately 1,000 spatulae that are shaped like an isosceles triangle. The spatulae (“Spatel”) are approximately 200 nm on one side and 10–30 nm on the other two sides. When the setae contact another surface, their load is supported by both lateral and vertical components. 51 Source: K. Autumn, American Scientist 94, 1242 (2006) Institut für Festkörperphysik 51 AG Kneissl 51 Van der Waals Interaction in Gecko Setae (“Borste” oder “Haar”) Single seta attached to a micro-electromechanical system (MEMS) cantilever capable of measuring force production during attachment parallel and perpendicular to the surface. Diagrams show the stages of setal movement corresponding to the force record from the MEMS cantilever. Setal Force: Fs = A R / 6 D2 => Fs ~0.4 N per spatula A = Hamaker constant (material dependent, ~10-19 J) R = Radius of the curved segment of the spatula (~2 m) D = Distance from the flat surface where vdW interaction becomes too weak (~ 0.3 nm) 52 Source: K. Autumn et al., Nature, Vol. 405, 681 (2000) Institut für Festkörperphysik 52 AG Kneissl 52 26  Wasserstoffbrückenbindung Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser 177 pm Dipol des Wassermoleküls Bei einer kovalenten Bindung mit einem stark elektronegativen Atom (z.B. Sauerstoff) wird das Elektron des Wasserstoffatoms wird fast vollständig an das Sauerstoffatom transferiert. Das verbleibende Proton kann dann eine anziehende WW auf ein weiteres negativ geladenes Ion ausüben. Typische Bindungsenergien liegen im Bereich 0.1 bis 0.5 eV. 53 Institut für Festkörperphysik 53 AG Kneissl 53 Wasserstoffbrückenbindung Verkettung der H2O-Moleküle im Eiskristall Source: Wilson Bentley (1865-1931) Natürliches Eis kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem. Dabei sind sechs H2O Moleküle über Wasserstoffbrücken zu einem Ring zusammengeschlossen. 54 Institut für Festkörperphysik 54 AG Kneissl 54 27  Wasserstoffbrückenbindung: Wasser (und Eis) Dichte von Wasser (und Eis) als Funktion der Temperatur Die Dichte von Wasser zeigt ein Maximum bei 4°C. Die Dichte von Quelle: Pauling and Hutchinson, 204 (1957) Eis bei 0°C ist etwa 8% geringer als die von Wasser. 55 Institut für Festkörperphysik 55 AG Kneissl 55 Wasserstoffbrückenbindung: Eigenschaften von Wasser Verdampfungswärme, Schmelztemperatur und Siedepunkte von H2O im Vergleich zu Edelgasen und einer Reihe anderer Wasserstoff-Verbindungen. Stark polar gebundende Moleküle (z.B. H2O, HF, NH3), die starke Wasserstoffbrückenbindungen eingehen, zeigen Eigenschaften, die deutlich vom Trend abweichen. Quelle: L. Pauling, The Nature of Chemical Bonds, 3rd edition (1960) 56 Institut für Festkörperphysik 56 AG Kneissl 56 28  Importance of hydrogen bonding in DNA and organic molecules AFM image of napthalenetetracarboxylic diimide molecules on silver- terminated silicon, interacting via hydrogen bonding. Binding of base pairs in DNA holding double helix together O−H···:N (29 kJ/mol) O−H···:O (21 kJ/mol) N−H···:N (13 kJ/mol) N−H···:O (8 kJ/mol) Hydrogen bonds in DNA: - Adenine forming 2 hydrogen bonds with thymidine - Cytosine forming 3 hydrogen bonds with guanine - Binding energies typically 6-30 kJ/mol (≈ 2-12 kBT) 57 Institut für Festkörperphysik 57 AG Kneissl 57 Interesting Reads “H2O: A Biography of Water" “The Nature of the Chemical Bond” by Philip Ball by Linus Pauling* Phoenix Publishing (2000) Cornell University Press (1938) *Nobel Prize in Chemistry (1954) *Nobel Peace Prize (1962) 58 Institut für Festkörperphysik 58 AG Kneissl 58 29