Brückenkurs CHEMIE: Atombau und chemische Bindung
Brückenkurs CHEMIE: Atombau und chemische Bindung
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