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Brückenkurs CHEMIE: Atombau und chemische Bindung

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<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

<strong>Brückenkurs</strong> <strong>CHEMIE</strong>: <strong>Atombau</strong> <strong>und</strong> <strong>chemische</strong> <strong>Bindung</strong><br />

Aufbau der Materie => Atome<br />

Periodizität der Eigenschaften<br />

Chemische <strong>Bindung</strong><br />

Struktur


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Gr<strong>und</strong>lagen der Chemie<br />

Demokrit, ca. 400 v. Chr.<br />

Aufbau der Materie aus kleinsten, unter sich gleichen Teilchen, die er als unteilbar ansah<br />

<strong>und</strong> deshalb Atome (griechisch: atomos = unteilbar) nannte.<br />

Jungius, 1642; Boyle, 1661<br />

Chemische Elemente sind Substanzen, die sich nicht in andere Stoffe zerlegen lassen.<br />

Lavoisier, 1785<br />

Gesetz von der Erhaltung der Masse<br />

Proust, 1797<br />

Gesetz der konstanten Proportionen<br />

Dalton, 1808<br />

Gesetz der multiplen Proportionen<br />

Dalton, 1809<br />

Atommodell auf stöchiometrischen Erkenntnissen:<br />

Atome sind die kleinsten Teilchen <strong>chemische</strong>r Elemente.<br />

Atome verschiedener Elemente besitzen unterschiedliche Massen.<br />

alle Atome eines Elements sind untereinander gleich.<br />

Atome werden als kugelförmig angenommen.


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Begriffe in der atomaren Dimension<br />

Stoffe Makroskopische Mengen kleinster submikroskopischer Einheiten<br />

Atome kleinste, auf <strong>chemische</strong>m Weg nicht weiter teilbare Teilchen<br />

Moleküle Einheiten aus einer begrenzten Anzahl von Atomen<br />

Ionen geladene atomare oder molekulare Teilchen<br />

Atom- <strong>und</strong> Molekülmassen<br />

Gr<strong>und</strong>legende Begriffe der Chemie<br />

Absolute Atommasse m: Masse eines Atomes<br />

Wasserstoff-Atom: 1,673525 10-27 kg<br />

Atomare Masseneinheit u: 1/12 der absoluten Masse des Kohlenstoffisotopes 12C 1,660531 10-27 kg<br />

Relative Atommasse mrel. : Masse eines Atomes bezogen auf 1/12 der Masse<br />

des Kohlenstoffisotopes 12C Wasserstoff-Atom: 1.007825 u


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Atome bestehen aus drei Elementarteilchen: Elektronen, Protonen <strong>und</strong> Neutronen<br />

Protonenzahl = Kernladungszahl = Ordnungszahl<br />

Nukleonenzahl = Massenzahl = Protonenzahl + Neutronenzahl<br />

Nuklid: durch Kernladungszahl <strong>und</strong> Neutronenzahl charakterisierte<br />

Atomsorte.<br />

Schreibweise:<br />

12<br />

C oder C<br />

Isotope: Nuklide gleicher Kernladungszahl, unterscheiden sich in der<br />

Neutronenzahl.<br />

Element: durch Kernladungszahl charakterisierte Atomsorte, aus<br />

Isotopen in definierten Anteilen zusammen gesetzt.<br />

Etwa 300 bekannte Nuklide<br />

112 (oder mehr?) bekannte Elemente<br />

Atome<br />

12<br />

6


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Atommodelle des 20. Jahrh<strong>und</strong>erts<br />

Gr<strong>und</strong>lage Wissen<br />

Rutherford Klassische Mechanik Kern <strong>und</strong> Hülle<br />

1911<br />

Bohr, Sommerfeld<br />

1913, 1920<br />

Quantentheorie Energieniveaus<br />

de Broglie, Schrödinger<br />

Heisenberg<br />

1924-1926<br />

Wellenmechanik Orbitaltheorie


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Elektronenbahnen <strong>und</strong> Orbitale<br />

Als Orbital bezeichnet man den Raum, der einem Elektron für seinen Aufenthalt zur<br />

Verfügung steht.<br />

Das Elektron kann nicht beliebige Energiewerte annehmen, sondern es gibt nur ganz<br />

bestimmte Energiezustände, die durch die Quantenzahl n festgelegt ist!<br />

Sowohl das Auftreten der Quantenzahl n als auch die Unbestimmtheit des Aufenthaltsortes<br />

eines Elektrons im Atom ist eine Folge der Welleneigenschaft des Lichtes.


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Elektronenbahnen <strong>und</strong> Orbitale - 2<br />

Das Elektron kann nicht beliebige Energiewerte annehmen, sondern es gibt nur ganz<br />

bestimmte Energiezustände, die durch die Quantenzahl n (Einelektronensystem)<br />

bzw. n <strong>und</strong> l (Mehrelektronensysteme) festgelegt ist.<br />

Die Eigenschaften der Orbitale werden durch ihre Quantenzahlen bestimmt<br />

Hauptquantanzahl n<br />

bestimmt die Größe der Orbitale<br />

Nebenquantenzahl l<br />

bestimmt die Gestalt der Orbitale<br />

magnetische Quantenzahl m l<br />

bestimmt die Orientierung der Orbitale im Raum<br />

Spinquantenzahl s<br />

erfüllt das Pauli-Prinzip


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Quantenzahlen<br />

Größe der Orbitale ist durch die Hauptquantanzahl n bestimmt.<br />

Gestalt der Orbitale ist durch die Nebenquantenzahl l bestimmt.<br />

Orientierung der Orbitale im Raum ist durch die magnetische Quantenzahl m l bestimmt.


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Schematische Darstellung von Atomorbitalen<br />

Größe der Orbitale ist durch die Hauptquantanzahl n bestimmt.<br />

Gestalt der Orbitale ist durch die Nebenquantenzahl l bestimmt.<br />

Orientierung der Orbitale im Raum ist durch die magnetische Quantenzahl m l bestimmt.<br />

Formen der Atomorbitale, bestimmt durch die Nebenquantenzahl l


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Elektronen in Orbitalen<br />

Energieprinzip<br />

Die freien Orbitale werden in der energetischen Reihenfolge aufgefüllt, d.h.<br />

zunächst werden die Orbitale mit der niedrigsten Energie besetzt.<br />

Pauli-Prinzip<br />

Ein Orbital kann mit höchstens zwei Elektronen besetzt werden, die sich im<br />

Spin unterscheiden. Man nennt diese beiden Elektronen gepaart. Den<br />

unterschiedlichen Spin stellt man durch eine Pfeilspitze dar, die entweder nach<br />

oben oder nach unten zeigt. Damit ergibt sich die Anzahl der besetzbaren<br />

Elektronenniveaus für die Hauptquantenzahl n mit 2, 8, 18, 32, ... , 2n2 H<strong>und</strong>sche Regel<br />

Werden entartete Orbitale (Orbitale mit gleicher Energie) besetzt, so werden<br />

zunächst alle einfach mit Elektronen mit dem gleichen Spin besetzt. Sind alle<br />

entarteten Orbitale mit Elektronen mit dem gleichen Spin besetzt, beginnt die<br />

Auffüllung mit einem Elektron mit entgegengesetztem Spin.


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Energieniveauschema der Orbitale in einem Atom<br />

Spinquantenzahl m s gibt den Drehimpuls des Elektrons an.<br />

Pauli-Prinzip: Ein Atom darf keine Elektronen enthalten,<br />

die in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen.<br />

H<strong>und</strong>sche Regel: Die Orbitale einer Unterschale werden so besetzt, dass die<br />

Anzahl der Elektronen mit gleicher Spinrichtung maximal wird.


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Periodensystem der Elemente


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Atomradien


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

innerhalb einer Gruppe<br />

mit zunehmender Ordnungszahl weiter außen liegende<br />

Elektronenschalen besetzt<br />

innerhalb einer Periode<br />

Atomradien - 2<br />

Kernladungszahl nimmt stetig zu, Anziehung auf die Elektronenhülle<br />

wird größer<br />

Atomradius ist das Ergebnis von Anziehung der Elektronen durch den Kern einerseits,<br />

der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen andererseits


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Ionisierungsenergie - 1


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Ionisierungsenergie ~<br />

Atomradius<br />

Elektronenkonfiguration<br />

innerhalb einer Gruppe<br />

innerhalb einer Periode<br />

Ionisierungsenergien - 2<br />

großer Atomradius = geringe Anziehung eines Elektrons<br />

= kleine Ionisierungsenergie<br />

Kernladungszahl nimmt stetig zu = Anziehung der Elektronen größer<br />

= höhere Ionisierungsenergie<br />

Ionisierungsenergien der Übergangselemente ändern sich wenig<br />

äußere Elektronen werden durch den sukzessiven Einbau von Elektronen in die<br />

innen liegenden d-Orbitale weitgehend abgeschirmt<br />

=> Abspaltung der äußeren Elektronen bei Nebengruppenelementen einer<br />

Periode mit ähnlichen Energiebeträgen


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Elektronegativität<br />

Elektronegativität<br />

Maß für die Fähigkeit eines Atoms in einer kovalenten <strong>Bindung</strong> Elektronen<br />

anzuziehen<br />

=>Elektronegativitäten zweier unterschiedlicher Atome ~ Polarität der <strong>Bindung</strong><br />

Elektronegativität ist auf technischem Gebiet benutzten Kennzahlen (zum Beispiel Härte,<br />

Flammpunkt) vergleichbar<br />

=> keine Stoffkonstante => dimensionslose Größe.<br />

Elektronegativitäten nicht direkt experimentell bestimmbar<br />

=>verschiedene Methoden zur rechnerischen Abschätzung<br />

(Dissoziationsenergie von Molekülen, Ionisierungsenergien,<br />

Elektronenaffinitäten, Atomradien, Dipolmomente,…)


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Elektronegativität<br />

4.5<br />

4.0<br />

3.5<br />

3.0<br />

2.5<br />

2.0<br />

1.5<br />

1.0<br />

innerhalb einer Gruppe<br />

innerhalb einer Periode<br />

H<br />

Elektronegativität<br />

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />

F<br />

Gruppe<br />

Periode<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Periodizität einiger Elementeigenschaften (Hauptgruppen)<br />

die meisten Eigenschaften der Elemente hängen von Art <strong>und</strong> Anzahl der äußeren<br />

Elektronen ab<br />

=> sie ändern sich daher mit<br />

zunehmender Ordnungszahl<br />

periodisch<br />

Atom- <strong>und</strong> Ionenradien<br />

Ionisierungsenergie<br />

Elektronegativität Metallcharakter


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Pause


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Empfehlung


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Chemische <strong>Bindung</strong> - Moleküle<br />

Chemische <strong>Bindung</strong> =<br />

Wechselwirkungskräfte zwischen Atomen, Ionen, Molekülen<br />

=> neuen Stoffe mit anderen Eigenschaften<br />

Grenztypen der <strong>chemische</strong>n <strong>Bindung</strong>:<br />

• die metallische <strong>Bindung</strong><br />

• die Ionenbindung<br />

• die Atombindung<br />

• die van der Waals-<strong>Bindung</strong><br />

Moleküle Einheiten aus einer begrenzten Anzahl von Atomen,<br />

gegeneinander abgegrenzt<br />

=> <strong>Bindung</strong>en im Molekül (intramolekulare <strong>Bindung</strong>en)<br />

=> <strong>Bindung</strong>en zwischen den Molekülen (intermolekulare <strong>Bindung</strong>en)


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Chemische <strong>Bindung</strong> - Hauptvalenzen<br />

Bindigkeit =<br />

Anzahl der Atombindungen, die ein bestimmtes Atom ausbilden kann<br />

Atome von Elementen der zweiten Periode können maximal vier<br />

kovalente <strong>Bindung</strong>en ausbilden<br />

~ nur vier Orbitale für <strong>Bindung</strong>en zur Verfügung (Oktett-Regel)<br />

(vgl. HNO 3 )<br />

Elemente der dritten Periode <strong>und</strong> höherer Perioden können eine größere<br />

Bindigkeit als vier erreichen<br />

(vgl. H 3 PO 4 )<br />

~ außer den s- <strong>und</strong> p-Orbitalen auch d-Orbitale zur <strong>Bindung</strong> zur Verfügung


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Metallische <strong>Bindung</strong><br />

<strong>Bindung</strong>sarten - Hauptvalenzen<br />

vier Fünftel aller Elemente sind Metalle, alle Nebengruppenelemente, die Lanthanoide <strong>und</strong><br />

die Actinoide sind Metalle<br />

=> Elektronenkonfigurationen der Atome mit nur wenigen Elektronen der<br />

äußeren Schale typisch<br />

=> Ionisierungsenergien der Metallatome sind niedrig, sie bilden daher leicht<br />

positive Ionen<br />

metallische Charakter<br />

in den Hauptgruppen<br />

in den Perioden


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

<strong>Bindung</strong>sarten - Hauptvalenzen


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Metallische <strong>Bindung</strong><br />

<strong>Bindung</strong>sarten - Hauptvalenzen<br />

vier Fünftel aller Elemente sind Metalle, alle Nebengruppenelemente, die Lanthanoide <strong>und</strong><br />

die Actinoide sind Metalle<br />

metallische Eigenschaften<br />

an Existenz größerer Atomverbände geb<strong>und</strong>en<br />

~ Metallatome stellen (im kondensierten Zustand) ihre Valenzelektronen der<br />

Gesamtheit (Metallgitter im kristallisierten Zustand) zur Verfügung<br />

~ Elektronen als „Elektronengas“ im Metall umgeben die dicht gepackten<br />

Atomrümpfe (Atomorbitale verschmelzen zu Energieband)<br />

�<br />

M�<br />

� M�<br />

� ... � M �<br />

M<br />

- metallischer Glanz<br />

- Dehnbarkeit <strong>und</strong> plastische Verformbarkeit<br />

- gute elektrische <strong>und</strong> thermische Leitfähigkeit<br />

e<br />

e<br />

�<br />

�<br />

�<br />

...


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

<strong>Bindung</strong>sarten - Hauptvalenzen<br />

Ionische <strong>Bindung</strong> (Ionenbeziehung, polare oder heteropolare <strong>Bindung</strong>)<br />

Verbindung von Atomen stark unterschiedlicher Elektronegativität<br />

ausgeprägt metallischer Elemente ausgeprägt nichtmetallische Elemente<br />

z.B. Gruppe 1 <strong>und</strong> 2 z.B. Gruppe 16 <strong>und</strong> 17<br />

=> Elektronen werden nahezu vollständig dem Partner der höheren Elektronegativität<br />

zugeordnet => Ionen<br />

Na<br />

�<br />

� � �Cl<br />

� Na Cl<br />

�<br />

Kation + Anion


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

<strong>Bindung</strong>sarten - Hauptvalenzen<br />

Ionische <strong>Bindung</strong> (Ionenbeziehung, polare oder heteropolare <strong>Bindung</strong>)<br />

=> Elektronen werden nahezu vollständig dem Partner der höheren Elektronegativität<br />

zugeordnet => Ionen<br />

Na<br />

�<br />

� � �Cl<br />

� Na Cl<br />

• Kationen <strong>und</strong> Anionen ziehen sich aufgr<strong>und</strong> ihrer entgegengesetzten elektrischen<br />

Ladung an<br />

• elektrostatische Anziehungskraft ist ungerichtet, d. h. sie ist in allen<br />

Raumrichtungen wirksam<br />

• regelmäßige dreidimensionale Anordnung von Ionen führt zur Bildung von<br />

Ionenkristallen<br />

• Ionen sind in einem Kristallgitter angeordnet<br />


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Ionenverbindungen<br />

sind aus Ionen aufgebaute Kristalle<br />

<strong>Bindung</strong>sarten - Hauptvalenzen<br />

=> starke <strong>Bindung</strong>skräfte zwischen einem Ion <strong>und</strong> allen seinen<br />

entgegengesetzt geladenen Nachbarionen<br />

=> Festkörper mit hohem Schmelzpunkt<br />

Ionenradien<br />

= Gleichgewichtsabstand der Ionen in einem bestimmten Kristall<br />

=> in verschiedenen Verbindungen verhält sich ein bestimmtes Ion nur dann<br />

wie eine starre Kugel mit annähernd konstantem Radius, wenn die Anzahl<br />

seiner nächsten Nachbarn, die Koordinationszahl, gleich ist


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

<strong>Bindung</strong>sarten - Hauptvalenzen<br />

Ionenradien<br />

= Gleichgewichtsabstand der Ionen in einem bestimmten Kristall<br />

=> in verschiedenen Verbindungen verhält sich ein bestimmtes Ion nur dann<br />

wie eine starre Kugel mit annähernd konstantem Radius, wenn die Anzahl<br />

seiner nächsten Nachbarn, die Koordinationszahl, gleich ist<br />

Für Ionenradien gelten folgende Regeln:<br />

• Kationen sind kleiner als Anionen<br />

• in den Hauptgruppen des PSE nimmt der Ionenradius mit steigender Ordnungszahl zu.<br />

(Be 2+ < Mg 2+ < Ca 2+ < Sr 2+ < Ba 2+ ; F - < Cl - < Br - < I - )<br />

• bei Ionen mit gleicher Elektronenkonfiguration (isoelektronische Ionen) nimmt der Radius<br />

mit zunehmender Ordnungszahl ab (O 2- > F - > Na + > Mg 2+ > Al 3+ )<br />

• gibt es von einem Element mehrere positive Ionen, nimmt der Radius mit zunehmender<br />

Ladung ab. (Fe 2+ > Fe 3+ ; Pb 2+ > Pb 4+ )


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

<strong>Bindung</strong>sarten - Hauptvalenzen<br />

Atombindung<br />

(kovalente <strong>Bindung</strong>, Elektronenpaarbindung, homöopolare <strong>Bindung</strong>)<br />

~ <strong>chemische</strong> <strong>Bindung</strong> von Nichtmetallen<br />

(geringe Elektronegativitätsunterschiede)<br />

=> Ausbildung eines bindenden Elektronenpaars, welches von beiden<br />

<strong>Bindung</strong>spartnern gemeinsam benutzt wird. (Lewis 1916)<br />

=> nur Elektronen der äußeren Schale berücksichtigt<br />

H� � H�<br />

� H � H<br />

Bindigkeit<br />

Anzahl der Atombindungen, die ein bestimmtes Atom ausbilden kann<br />

=> Atome von Elementen der zweiten Periode = maximal vier kovalente<br />

<strong>Bindung</strong>en (nur vier Orbitale für <strong>Bindung</strong>en zur Verfügung =Oktett-Regel)<br />

=> Elemente der 3. Periode <strong>und</strong> höherer Perioden können größere Bindigkeit<br />

als vier erreichen (s-, p-Orbitalen <strong>und</strong> d-Orbitale)<br />

polare Atombindung<br />

Verknüpfung von Partnern unterschiedlicher Elektronegativität<br />

��<br />

��<br />

H�<br />

Cl


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Bildung eines<br />

Wasserstoffmoleküls<br />

Ausbildung einer <strong>chemische</strong>n <strong>Bindung</strong><br />

Energiefunktion bei der<br />

Bildung eines<br />

Wasserstoffmoleküls


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Atomkristalle<br />

Atomkristall<br />

Gitterbausteine Atome<br />

=> durch kovalente <strong>Bindung</strong>en dreidimensional verknüpft (Diamant, Grafit)<br />

kovalente <strong>Bindung</strong>en sind gerichtet, ihre Wirkung beschränkt sich auf Atome,<br />

die durch gemeinsame Elektronenpaare aneinander geb<strong>und</strong>en sind<br />

in Molekülen sind daher die Atome bindungsmäßig abgesättigt.<br />

Molekülkristalle<br />

sind aus Molekülen aufgebaut, zwischen denen nur schwache<br />

zwischenmolekulare <strong>Bindung</strong>skräfte exisitieren


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Modellvorstellungen zur Beschreibung von Molekülen<br />

im Gegensatz zur Ionenbindung ist die Atombindung mit klassischen Gesetzen nicht<br />

zu erklären<br />

=> Wellenmechanik führte zum Verständnis der Atombindung:<br />

Molekülorbital-Theorie (MO-Theorie)<br />

Molekül besitzt ein einheitliches Elektronensystem<br />

Elektronen halten sich in Molekülorbitalen auf, die (im einfachsten Fall)<br />

Linearkombinationen von Atomorbitalen darstellen.<br />

Valenzbindungstheorie (VB-Theorie)<br />

Bildung gemeinsamer Elektronenpaare aus einzelnen Elektronen der zum<br />

Molekül gehörenden Atome<br />

~ Überlappung von Orbitalen, führt zu einer Energieabsenkung für das<br />

Gesamtsystem<br />

=> anschauliche Darstellung der Elektronenverteilung durch<br />

Grenzstrukturen (Lewis-Formeln),<br />

=> räumlicher Bau des Moleküls lässt sich mittels Hybridisierung erklären.


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

<strong>Bindung</strong>sarten - Nebenvalenzen<br />

Unspezifische Wechselwirkungen (van der Waals-Kräfte)<br />

van der Waals-Kräfte kommen durch Anziehung zwischen Dipolen zustande<br />

Anteile: Orientierungseffekte (Anziehung <strong>und</strong> Ausrichtung von permanenten Dipolen<br />

führt zu energieärmeren Zustand, temperaturabhängig)<br />

Induktionseffekte (Permanenter Dipol induziert in einem benachbarten<br />

Teilchen ein Dipolmoment.)<br />

Dispersionskräfte (Schwankungen in der Ladungsdichte erzeugt fluktuierenden<br />

Dipol =><br />

mit zunehmender Größe der Atome bzw. Moleküle lassen sich leichter Dipole<br />

induzieren, die van der Waals-Anziehung nimmt zu)<br />

Spezifische Wechselwirkungen (Wasserstoffbindung, Wasserstoffbrückenbindung)<br />

führen im Gegensatz zu unspezifischen Wechselwirkungen bei genügender<br />

Stärke zu definierten Molekülverbindungen<br />

=> die meisten Wasserstoffbrücken sind unsymmetrisch<br />

Wasserstoffbrücken<br />

=> erhöhen Schmelztemperatur, Siedetemperatur, Verdampfungsenthalpie,<br />

Dipolmoment, elektrische Feldstärke <strong>und</strong> Viskosität.<br />

=> führen zu typischen Ketten-, Schicht- <strong>und</strong> Raumnetzstrukturen<br />

� X � H �<br />

Y � � � X�<br />

H � Y<br />


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Atome:<br />

Formeln<br />

Massezahl Ladungszahl<br />

Ordnungszahl C Atomanzahl(<br />

imMolekül)<br />

charakterisieren das Atom charakterisieren die Atome im Molekül (Ion)<br />

Verbindungen:<br />

Summenformeln<br />

Reihung der Elemente erfolgt mit steigender Elektronegativität Na 2 SO 4 , HCl, OF 2<br />

Wenn 2 oder mehrere Atome im Molekül eine selbständige Al 2 (SO 4 ) 3<br />

Gruppe bilden, wird die Formel der Gruppe in Klammern gesetzt<br />

Strukturformeln (Konstitutionsformeln)<br />

Zusätzlich zu den Elementsymbolen werden bindende Elektronenpaare<br />

als Striche zwischen den Elementsymbolen gezeichnet, freie Elektronen-<br />

paare als Striche an den Atomen (werden meist weggelassen).<br />

Rationelle Formeln<br />

Schreibweise ohne Elektronenpaare, aber mit Erhalt struktureller NH 4 HSO 4 ,<br />

(NH 2 ) 2 CO,<br />

Untereinheiten HCOOH<br />

-<br />

O<br />

O<br />

S O<br />

O<br />

-


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Stöchiometrische Wertigkeit<br />

Umgang mit Formeln<br />

gibt an, wie viele Atome oder Atomgruppen, die einwertig sind (z. B. H, F, OH), ein<br />

bestimmtes Atom oder eine Formeleinheit binden kann<br />

Oxidationszahl<br />

gibt die elektrischen Ladungen an, die die Atome in Verbindungen besitzen würden, wenn<br />

man sich diese aus lauter Ionen aufgebaut vorstellt<br />

können in Verbindungen über das Symbol geschrieben werden (erst Vorzeichen, dann<br />

Ziffer)<br />

Ladungszahl<br />

+1 –2 0 +1 +5 -2<br />

H 2 O Cl 2 H 3 PO 4<br />

ist Bestandteil der Formel, gibt die tatsächlichen elektrischen Ladungen von Ionen an, wird<br />

rechts oben neben die Formel geschrieben (erst Ziffer, dann Vorzeichen)<br />

Ca 2+ SO 4 2-


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Oxidationszahl<br />

Ermittlung der Oxidationszahlen einzelner Atome in Molekülen<br />

Atom Oxidationszahl<br />

Metalle<br />

Alkalimetalle<br />

Wasserstoff<br />

Sauerstoff<br />

Fluor<br />

Halogene<br />

positiv<br />

+1<br />

+1<br />

-2<br />

-1<br />

-1<br />

in Summenformeln (IUPAC-Regel: Elektronegativität) haben links stehende Elemente<br />

positive Oxidationzahlen, rechts stehende Elemente negative Oxidationszahlen


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Periodensystem der Elemente<br />

+1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +3 +3/+4 +2 +1 +2 +3 +4/-4 +5/-3 +6/-2 -1 0<br />

+3


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Mesomerie<br />

nur ein Teil der Moleküle sind durch bizentrische (lokalisierte) Molekülorbitale (<strong>Bindung</strong>en)<br />

beschreibbar<br />

=> in Wirklichkeit sind Molekülorbitale polyzentrisch <strong>und</strong> erstrecken sich über das gesamte<br />

Molekül<br />

=> Moleküle bzw. Ionen lassen sich durch eine einzige Valenzstrichformel nicht ausreichend<br />

beschreiben<br />

weisen delokalisierte <strong>Bindung</strong>en auf, die sich durch fiktive Grenzstrukturen<br />

(Resonanzstrukturen) beschreiben lassen


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Isomerie<br />

Konstitution<br />

gibt Art <strong>und</strong> Reihenfolge von <strong>Bindung</strong>en im Molekül an<br />

Konfiguration<br />

bezeichnet die räumliche Anordnung der Atome ohne Berücksichtigung von Rotationen<br />

um Einfachbindungen<br />

Konformation<br />

berücksichtigt Rotationen um Einfachbindungen <strong>und</strong> beschreibt die genaue räumliche<br />

Lage der Atome<br />

Strukturisomerie (Konstitutionsisomerie)<br />

Art <strong>und</strong> Reihenfolge der <strong>Bindung</strong>en in den Molekülen sind verschieden


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Stereoisomerie<br />

Die räumliche Lage der Atome in den Molekülen ist verschieden!<br />

Konformere (Konformationsisomere)<br />

Unterschiedliche Atomanordnungen, die durch Drehung um eine C-C-Einfachbindung als<br />

Achse entstehen.


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Stereoisomerie<br />

Cis/trans- Isomere<br />

Unterschiedliche Substituentenanordnungen an C-Atomen, die durch eine<br />

Doppelbindung miteinander verb<strong>und</strong>en sind<br />

Enantiomere<br />

Bei 4 unterschiedlichen Substituenten an einem C-Atom (asymetrisches C-Atom,<br />

Asymetriezentrum) lassen sich bei gleicher Summenformel 2 verschiedene Moleküle<br />

aufbauen, die sich zueinander spiegelbildlich verhalten Diasteromere sind Moleküle, die<br />

2 oder mehr Asymetriezentren enthalten.


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Koordinationsverbindungen<br />

Koordinationsverbindungen<br />

Ausbildung einer Koordinationssphäre um ein Zentralatom oder –ion<br />

=> in der Koordinationssphäre befindet sich eine definierte Zahl von<br />

Liganden (Moleküle oder Ionen)<br />

=> <strong>Bindung</strong> erfolgt durch Orbitalüberlappung<br />

Eigenschaften <strong>und</strong> Reaktionen:<br />

Farbe von Komplexionen<br />

Elektrolytische Eigenschaften<br />

Ionenreaktionen<br />

Schreibweise:<br />

Fe 2+ + 6 CN - �<br />

[Fe(CN) 6 ] 4-<br />

Voraussetzung für die Bildung von Koordinationsverbindungen:<br />

ein Partner wirkt als Elektronenakzeptor (freies Orbital), der andere als<br />

Elektronandonator (Orbital mit 2 Elektronen besetzt).


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Koordinationsverbindungen, Komplexverbindungen<br />

bei den Nebengruppenelementen werden die d-Orbitale der zweitäußeren Schale aufgefüllt<br />

=> außer den s-Elektronen der äußersten Schale können auch die d-Elektronen als<br />

Valenzelektronen wirken<br />

=> Übergangsmetalle treten daher in vielen Oxidationszahlen auf<br />

=> die meisten Ionen der Übergangsmetalle haben teilweise besetzte d-Niveaus<br />

solche Ionen sind gefärbt <strong>und</strong> paramagnetisch <strong>und</strong> besitzen eine ausgeprägte<br />

Neigung zur Komplexbildung<br />

3<br />

= Komplexverbindungen im engeren Sinn


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Liganden von Komplexverbindungen<br />

Einzähnige Liganden CO, CN-, NH 3 , H 2 O, R-OH, Amine...


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Struktur von Komplexverbindungen<br />

Koordinationszahl Struktur<br />

2 linear<br />

4 tetraedrisch,<br />

quadratisch-planar<br />

6 oktaedrisch<br />

als Koordinationszahl bezeichnet man die Anzahl der vom Zentralteichen<br />

geb<strong>und</strong>enen einzähnigen Liganden


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Ligandenfeldtheorie<br />

Valenzbindungstheorie von Komplexen<br />

die <strong>Bindung</strong> entsteht durch Überlappen eines gefüllten Ligandenorbitals mit einem<br />

leeren Orbitals des Zentralatoms.<br />

sp3 tetraedrisch<br />

dsp2 quadratisch-planar<br />

d2sp3 oktaedrisch<br />

Ligandenfeldtheorie<br />

Beschreibung der Wechselwirkung zwischen den Liganden eines Komplexes <strong>und</strong> den<br />

d-Elektronen des Zentralatoms<br />

Erklärung wichtiger Eigenschaften von Komplexverbindungen:<br />

Farbe (Absorptionsspektren)<br />

Molekülstruktur<br />

magnetisches Verhalten<br />

Oxidationsstufen des Zentralatoms


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Wechselwirkungen zwischen Atomen <strong>und</strong> Molekülen<br />

Schwache<br />

Wechselwirkungen<br />

Stärkere<br />

Wechselwirkungen<br />

Dominierende<br />

Wechselwirkungen<br />

Unordnung Gaszustand<br />

(ideale Gase: keine<br />

Wechselwirkungen)<br />

Nahordnung Flüssigkeiten<br />

Fernordnung Festkörper (Kristalle)<br />

Festkörper:<br />

amorph � kristallin<br />

isotrop � anisotrop


<strong>Brückenkurs</strong> Chemie<br />

Typen kristalliner Feststoffe

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