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- chemische Grundlagen -
Prof. Dr. Ulrich HahnWS 2009/2010
Vorkursfür ingenieurwissenschaftliche Studiengänge
chem. Grundlagen 2
M a t e r i e:M a t e r i e:Stoff 1, Stoff 2 …..Stoff 1, Stoff 2 …..
fest gasförmigflüssig WärmeleitungFestigkeitFarbe
Unterscheidungsmerkmale der Stoffe:
Klassifikation der Stoffe:Klassifikation der Stoffe:
heterogener Stoff:heterogener Stoff:mit physikalischen Methodenzerlegbar in reine Stoffe
reiner Stoff:reiner Stoff: mit chemischen MethodenzerlegbarReaktionenReaktionen
Stoff:Stoff:Stoff:Stoff: alle Objekteigenschaften außer Gestalt & Größe
chem. Grundlagen 3
Elemente
Stoff 1m1
Stoff 2m2
Stoff AmA
spezieller reiner Stoff: ElementElementElementElement
R. Boyle: (1660)
Ein Element ist ein reiner Stoff, der bei Reaktionen mit anderen reinen Stoffen an Masse zunimmt
Eigenschaften chemischer Reaktionen:
Stoff BmB
Stoff AmA Stoff C
mC
Stoff BmBStoff A
mAReaktionReaktionReaktion
Gesamtmasse bleibt erhaltenGesamtmasse bleibt erhaltendefinierte Massenverhältnisse der Reaktionspartnerdefinierte Massenverhältnisse der Reaktionspartner
2 Elemente 2 Elemente �� unterschiedliche Verbindungen: unterschiedliche Verbindungen: MassenverhMassenverhäältnisse: (kleine) ganze Zahlenltnisse: (kleine) ganze Zahlen
konstante Proportionenmultiple Proportionen
chem. Grundlagen 4
frühe Modelle chemischer ReaktionenDalton, Lavoirsier (1790): Grundbausteine eines Elementes:
AtomeAtomeAtomeAtome gleiche Größe, gleiche Masse
können nicht durch Reaktionen umgewandelt werden
Zahl unterschiedlicher Atome = Zahl der Elemente
reine Stoffe: Verbindung von Elementen Verbindung von Elementen Verbindung von Elementen Verbindung von Elementen
Grundbausteine von Verbindungen:MolekMolekMolekMoleküüüülelelele
definierte Anzahl von Atomen
chemische Reaktion:Umgruppierung von AtomenUmgruppierung von AtomenUmgruppierung von AtomenUmgruppierung von Atomen
Atome können weder geschaffen noch zerstört werdenAtome können weder geschaffen noch zerstört werden
chem. Grundlagen 5
relative Atom (Molekül)masse
chemische Reaktionen sind verstanden wenn bekannt:
Zahl der MoleküleMasse der Atome
vorher/nachher schwer meßbar
ausreichend für das Verständnis:
Vergleichswert der MolekülzahlVergleichswert der Molekülzahl
relative Atommasse relative Atommasse (bezogen auf ein Referenzelement)
Avogadro (1811):Gase enthalten die gleiche Zahl von MolekGase enthalten die gleiche Zahl von MolekGase enthalten die gleiche Zahl von MolekGase enthalten die gleiche Zahl von Moleküüüülen, len, len, len, wenn P = wenn P = wenn P = wenn P = constconstconstconst, V = , V = , V = , V = constconstconstconst, T = , T = , T = , T = constconstconstconst
unabhängig von der Art des Gasesunabhängig von der Art des Gases
chem. Grundlagen 6
relative Atom (Molekül)massefrüher: Bezugselement Wasserstoff: Bezugselement Wasserstoff: Bezugselement Wasserstoff: Bezugselement Wasserstoff: mmmmrelrelrelrel := 1:= 1:= 1:= 1
chemische Reaktionen � mrel anderer Elemente
12 g Kohlenstoff C12 g Kohlenstoff C12 g Kohlenstoff C12 g Kohlenstoff C----12 enthalten n12 enthalten n12 enthalten n12 enthalten nAAAA AtomeAtomeAtomeAtome
nA gleiche Atome oder Moleküle:Stoffmenge Stoffmenge Stoffmenge Stoffmenge νννν = 1 mol = 1 mol = 1 mol = 1 mol
unabhängig von der Art der Moleküleunabhängig von der Art der Moleküle
heute: Bezugselement Kohlenstoff CBezugselement Kohlenstoff CBezugselement Kohlenstoff CBezugselement Kohlenstoff C----12: 12: 12: 12: mmmmrelrelrelrel := 12:= 12:= 12:= 12
Moleküle: ∑=
=n
i
Atomirel
Molekülrel mm
1,
Anzahl:
Masse eines Mols:ν
= mM Stoff ::Massemolare
AvogadrokonstanteAvogadrokonstanteAvogadrokonstanteAvogadrokonstante NNNNAAAA:=n:=n:=n:=nAAAA/1mol/1mol/1mol/1mol mol110022,6 23⋅=AN
molg
][ =M
chem. Grundlagen 7
∫∫ ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••mrel �
Systematik der ElementeEs gibt (z. Zt.) 116 Elementemanche Elemente:ähnliches chemisches Verhalten
� Verbindungen mit H: HF, HCl, HBr� Verbindungen mit O: H2O, Na2O, K2O � Verbindungen mit Cl:NaCl, KCl, CsCl
�������� charakteristische chemische Eigenschaften charakteristische chemische Eigenschaften wiederholen sich mit steigender Atommassewiederholen sich mit steigender Atommasse
Mendelejeff, Meyer: (1869)
Elemente im Periodensystem anordnen Elemente im Periodensystem anordnen Elemente im Periodensystem anordnen Elemente im Periodensystem anordnen ordnen nach mrel
Zweifelsfälle: Chemie vor mrel : Ordnungszahlen Ordnungszahlen Ordnungszahlen Ordnungszahlen Ladung d. Atomkerns
4
He Li
20
F Ne Na
40
Cl Ar K
84
Br Kr Rb
131
J Xe Cs
222
At Rn Fr
chem. Grundlagen 8
Periodensystem
Gruppe ����
Alk
alim
eta
lleE
rda
lkal
ime
talle
Erd
me
talle
Koh
lens
toffg
rp.
Stic
ksto
ffgrp
.C
halk
oge
ne.
Ha
loge
ne.
Ede
lga
se
seltene Erdmetalle
Übergangsmetalle
I II III IV V VI
VII
VIIIa aaa a a a a
I IIIVIII V VI
VII VIII
bb b b b b bb
� Hauptgruppen� Nebengruppen
chem. Grundlagen 10
Periodensystem: Hauptgruppen
Nichtmetalle
Halbleiter/Halbmetalle
Metalle
Säurenbildner
Basenbildner
Metallcharakter
Metallcharakter
chem. Grundlagen 11
Aufbau der AtomeVermutung: Struktur des Periodensystems �������� Atomaufbau
Rutherford: α-Teilchen (He++) Lenard: Elektronen (e-)
Atome:Atome:Atome:Atome: � kompakte Kugeln � „Rosinenpudding“ (ungeladene Streuer, statistisch verteilt)
Streuversuche
kompakter Kern:kompakter Kern:
Umgebung:Umgebung:
∅ ≈ 10-14 m, (+) - Ladung, gesamte Atommasse
∅ ≈ 10-10 m, (-) - Ladung, Elektronenhülle
qq++ = = qq-- ⇒⇒ AtomeAtomeelektrischelektrischneutralneutral
Element: � Ordnungszahl ≙ Kernladungszahl (z.e+)� z Elektronen in der Hülle
chem. Grundlagen 12
IsotopeGleiches Element – unterschiedliche relative Atommasse
Notation: X:bolElementsym AZ
Masse.relhlOrdnungsza
Masse.relbolElementsym −
C146
14C−
mrel im Periodensystem:Mittelung Mittelung Mittelung Mittelung üüüüber die Hber die Hber die Hber die Hääääufigkeit der Isotopeufigkeit der Isotopeufigkeit der Isotopeufigkeit der Isotope
Grundbausteine der Atomkerne:
ProtonenProtonen +e= 1,6 10-19 As
NeutronenNeutronen 0mP = mN = 1,7 10-24 g ≙ 1 AME
Gleiches chemisches VerhaltenGleiches chemisches Verhalten
Zahl der Neutronen = A - Z
chem. Grundlagen 13
Aufbau der ElektronenhülleFrühe Modelle:
N. Bohr (1920) Elektronen auf Kreisbahnen Postulat: Bahnen sind stabil Postulat: Bahnen sind stabil Postulat: Bahnen sind stabil Postulat: Bahnen sind stabil
A. Sommerfeld Elektronen auf Ellipsenbahnen
Nicht erklärt:
chemische BindungLichtemission angeregter Atome
���� moderne Atommodelle (Quantenmechanik) moderne Atommodelle (Quantenmechanik) moderne Atommodelle (Quantenmechanik) moderne Atommodelle (Quantenmechanik)
chem. Grundlagen 14
Ergebnisse der Quantenmechanik
gleichzeitige Messung vom Ort x und der Geschwindigkeit vx
Ortsbestimmung genauGeschwindigkeitsbestimmung ungenau
Geschwindigkeitsbestimmung genauOrtsbestimmung ungenau
fundamentaler Zusammenhang zwischen
Unsicherheit der Ortsbestimmung Unsicherheit der Ortsbestimmung ∆∆xxUnsicherheit der Impulsbestimmung Unsicherheit der Impulsbestimmung ∆∆ppxx π
>∆⋅∆4h
px x
Heisenbergsche UnschHeisenbergsche UnschHeisenbergsche UnschHeisenbergsche Unschäääärferelation rferelation rferelation rferelation
Bewegungszustand eines Objektes: Ort & Impuls
h = 6,63.10-34 Js
chem. Grundlagen 15
Ergebnisse der Quantenmechanik
Konsequenz für Teilchen:
Teilchen bewegt sich auf Bahn
Teilchen bewegt sich mit einer gewissen Teilchen bewegt sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in einem RaumgebietWahrscheinlichkeit in einem Raumgebiet
große kleineAufenthaltswahrscheinlichkeit
Atomphysik: Raum um den Kern, wo Elektronen anzutreffen sind:
Orbital Orbital Orbital Orbital
AW ≥ 90%
chem. Grundlagen 16
AtomorbitaleTheorie (exakt nur für H):
charakteristische räumliche Strukturen der Orbitale:
unterschiedliche Orbitale möglich
Durchmesser Durchmesser (AW ≥ 90%)
GestaltGestalt
Orientierung im RaumOrientierung im Raum
beschreiben durch Quantenzahlenn n = 1, 2, 3, 4…..
ℓ 0 ≤ ℓ ≤ n - 1n unterschiedliche Strukturen
m - ℓ ≤ m ≤ ℓ2l + 1 unterschiedliche Orientierungen
Hauptquantenzahl
Nebenquantenzahl
magnetische Quantenzahl
chem. Grundlagen 17
Beispiele für Atomorbitale
ℓ = 0 „s“: kugelsymmetrischn - 1 „Knoten“ (Kugelschalen mit AW = 0)hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Kernort
ℓ = 2 „p“: hantelförmign - 2 Knoten in den HantelnKnoten am Kernort
ℓ = 3 „d“: Doppelhantel („Kleeblätter“) & Einfachhantel mit Ringn - 3 Knoten im InnerenKnoten am Kernort
ℓ = 4 „f“: „Doppelkleeblätter“ und Einfachhantel mit Doppelringn - 4 Knoten in den HantelnKnoten am Kernort
alle palle p--Orbitale: Orbitale: kugelsymmetrischkugelsymmetrisch
alle dalle d--Orbitale: Orbitale: kugelsymmetrischkugelsymmetrisch
alle falle f--Orbitale: Orbitale: kugelsymmetrischkugelsymmetrisch
�
chem. Grundlagen 19
Vielelektronenatomealle Elemente aualle Elemente aualle Elemente aualle Elemente außßßßer Wasserstoff er Wasserstoff er Wasserstoff er Wasserstoff
(gleichnamige) Ladungen ���� AbstoAbstoAbstoAbstoßßßßungungungung
Vielelektronenatome: andere Orbitale als Wasserstoffandere Orbitale als Wasserstoff
Experimente: Beschreibung mit Quantenzahlen n, Beschreibung mit Quantenzahlen n, ℓℓ, m, m
� andere Größe � andere Energien gegenüber H-Orbitalen
Pauli (1930): jedes Orbital kann 2 Elektronen aufnehmen jedes Orbital kann 2 Elektronen aufnehmen jedes Orbital kann 2 Elektronen aufnehmen jedes Orbital kann 2 Elektronen aufnehmen
Unterscheidung: SpinSpinSpinSpin 2 Werte: + ½ , - ½
�������� Elektronen beschreiben mit n, Elektronen beschreiben mit n, ℓℓ, m, s, m, s
Pauliprinzip: Elektronen eines Atoms mElektronen eines Atoms mElektronen eines Atoms mElektronen eines Atoms müüüüssen sich in ssen sich in ssen sich in ssen sich in mindestens einer Quantenzahl unterscheiden mindestens einer Quantenzahl unterscheiden mindestens einer Quantenzahl unterscheiden mindestens einer Quantenzahl unterscheiden
� Verzerrung
chem. Grundlagen 20
Besetzung der AtomorbitaleGliederung der Elektronenhülle in Schalen(Orbitale mit gleichem n)
7Q
6P
5O
4s2, 4p6, 4d10, 4f14321+3+5+7s, p, d, f4N
3s2, 3p6, 3d10181+3+5s, p, d3M
2s2, 2p681+3s, p2L
1s221s1K
KonfiguationAnz. e-Orient.Orbitalen
Sukzessives Auffüllen der Schalen/Orbitale mit wachsendem ZVielelektronensystemVielelektronensystem�������� UnregelmäßigkeitenUnregelmäßigkeiten
���� Gesamtenergie minimal im AtomGesamtenergie minimal im AtomGesamtenergie minimal im AtomGesamtenergie minimal im Atom
s, p, d, f � keine weiteren Orbitale im Grundzustand
chem. Grundlagen 23
Periodensystem: ElektronenkonfigurationElektronenkonfiguration: Valenzschale Valenzschale Valenzschale Valenzschale innere Schalen: aufgefüllt mit Elektronen
Valenzschale gefüllt:Unterschale gefüllt:Unterschale (fast) leer:
inertreaktionsträgereaktionsfreudig
chem. Grundlagen 27
chemische Bindung
Elemente VerbindungenGasFlüssigkeitFestkörper
AtomeAtome MoleküleMoleküle makroskopischemakroskopischeAtom/Atom/MolekülgrpMolekülgrp ..
Valenz-elektronen
Valenz-elektronen
Bindungstypen: IonenbindungIonenbindung
kovalentekovalenteBindung / AtombindungBindung / Atombindung
MetallbindungMetallbindung
chem. Grundlagen 28
Ionenbindung
Ionen („Wanderer“): elektrisch geladene Atome / Molekelektrisch geladene Atome / Molekelektrisch geladene Atome / Molekelektrisch geladene Atome / Moleküüüülteile lteile lteile lteile
ElektrolyteGasentladungen
Ursache der elektrischen Ladung:
Abgabe von ElektronenAbgabe von Elektronen ���� positives Ion positives Ion positives Ion positives Ion KationKation
Aufnahme von ElektronenAufnahme von Elektronen ���� negatives Ion negatives Ion negatives Ion negatives Ion AnionAnion
� Ionisierungsenergie
� Elektronegativität
Bindung: Elektronentransfer Elektronentransfer Elektronentransfer Elektronentransfer e-+ -
elektrostatelektrostat. Anziehung. Anziehung
chem. Grundlagen 29
Edelgaskonfiguration in der ValenzschaleEdelgaskonfiguration in der Valenzschale
Ionenbindungwird bevorzugt, wenn
+ Kation leicht ionisierbar
- Anion gern e- aufnimmt
Ionisierungsenergie kleinIonisierungsenergie kleinIonisierungsenergie kleinIonisierungsenergie klein
ElektronegativitElektronegativitElektronegativitElektronegativitäääät grot grot grot großßßß
� kugelförmige Ladungsverteilung � reaktionsträge
Bindung Bindung Bindung Bindung isotropisotropisotropisotrop
Stoffe mit Ionenbindung:
Salze Salze Salze Salze �������� KristalleKristalle � spröde � hohe Schmelztemperatur � Nichtleiter
chem. Grundlagen 30
kovalente Bindunggleiche Atome: Bindung?
Frühe Modelle (Lewis 1916):
Edelgaskonfiguration für das gesamte MolekülEdelgaskonfiguration für das gesamte Molekül
Teile des MolekülsTeile des Moleküls
���� Elektronenpaare Elektronenpaare Elektronenpaare Elektronenpaare � e- von unterschiedlichen Atomenbindendes Paarbindendes Paarbindendes Paarbindendes Paar
� e- vom gleichen Atomeinsames Paareinsames Paareinsames Paareinsames Paar
??? räumliche Anordnung der Atome??? Benzol C6H6
���� Orbitalmodelle: � VB valence bond� MO Molekül Orbital
chem. Grundlagen 31
Molekülorbitale
Moleküle ���� Quantenmechanik e- : Orbitale wie sehen sie aus? wie sehen sie aus? wie sehen sie aus? wie sehen sie aus?
Beispiel: H + H ���� H2
(1s1)a (1s1)b (1s1)a + (1s1)b = ?
Molekülbildung: Überlappung von AtomorbitalenÜberlappung von Atomorbitalen
elektrostatische Abstoßungelektrostatische Abstoßung
AustauschAustausch--AnziehungAnziehung
quantenmechanischer Effekt, da e- nicht unterscheidbar sind
chem. Grundlagen 32
MolekülorbitaleAnziehung > Abstoßung:Anziehung > Abstoßung: „„„„bindendesbindendesbindendesbindendes““““ MolekMolekMolekMoleküüüülorbital lorbital lorbital lorbital
Anziehung < Abstoßung:Anziehung < Abstoßung: „„„„antibindendesantibindendesantibindendesantibindendes““““ MolekMolekMolekMoleküüüülorbital lorbital lorbital lorbital
2 Atomorbitale überlappen � 2 Molekülorbitale2 Atomorbitale überlappen � 2 Molekülorbitale
Molekülorbitale beim H2 :
bindendes Molekülorbital
AufenthaltswahrschAufenthaltswahrsch. groß. groß zwischen d. Kernenzwischen d. Kernen
� Verkleinerung d. Kern-Kern-Abstoßung� Abstand d. Kerne:
Anziehung (e--Orbital) = Abstoßung (K-K)
(1s1)a + (1s1)b
chem. Grundlagen 33
Molekülorbitale
(1s1)a + (1s1)b
antibindendes Molekülorbital
AufenthaltswahrschAufenthaltswahrsch. null. null zwischen d. Kernenzwischen d. Kernen
� Orbitale verlagern sich nach außen� Vergrößerung der Kern-Kern-Abstoßung
2 e 2 e 2 e 2 e ---- je Orbitalje Orbitalje Orbitalje Orbital
Knotenebene
Pauliprinzip:
Aufhebung der Bindung, Atome trennen sich
Reihenfolge beim Auffüllen:bindend, antibindend bindend, antibindend bindend, antibindend bindend, antibindend
Bindung stabil: Mehrzahl der eMehrzahl der eMehrzahl der eMehrzahl der e---- im bindenden Orbital im bindenden Orbital im bindenden Orbital im bindenden Orbital
chem. Grundlagen 34
Systematik der MolekülorbitaleVerbindungen mit 2 gleichen Atomen
Unterscheidung hinsichtlich �� GestaltGestalt�� Art der Überlappung v. AtomorbitalenArt der Überlappung v. Atomorbitalen
σσσσσσσσ -- MolekülorbitalMolekülorbitaleinfacheÜberlappung auf der Verbindungslinie der Atomkerne
σb (bindend): große e- Dichte zwischen den Kernenσ* (antibindend):Knoten der e- Dichte zwischen den Kernen
σsb σs
*
chem. Grundlagen 36
Systematik der Molekülorbitale
ππππππππ -- MolekülorbitalMolekülorbital
doppelteÜberlappung über/unter der Verbindungslinie der Kerne
πb (bindend): große e- Dichte über/unter der Verbindungslinieπ* (antibindend):Knoten der e- Dichte zwischen den Kernen
chem. Grundlagen 37
Systematik der Molekülorbitale
δδδδδδδδ -- MolekülorbitalMolekülorbital 4-facheÜberlappung der Orbitale
πpd:
chem. Grundlagen 38
πx πy* *
σs
σs*
σz*E
A1 A2
Energien der Molekülorbitale
σz
πx πy
s s
Experimente & Theorie:
p pp p p p
chem. Grundlagen 39
MO‘s unterschiedlicher AtomeMO‘s symmetrisch zur mittelsenkrechten Ebene zwischen den Atomkernen
� keine Symmetrie ElektronegativitElektronegativitElektronegativitElektronegativitäääät verschieden t verschieden t verschieden t verschieden
bindende Orbitale:bindende Orbitale:
σsb σs
*
AW zum elektronegativerenAtom verlagert
antibindende Orbitale:antibindende Orbitale:AW zum elektropositiverenAtom verlagert
gleiche Atome:
ungleiche Atome:
chem. Grundlagen 41
Welche Orbitale überlappen sich?gleichartige Atome:gleichartige Atome: gleichartige Orbitale
unterschiedliche Atome:unterschiedliche Atome:Orbitale mit ähnlicher Energie
σsp
σsp*
E
H F
s1s1
pp p 2p5πx πy
σsp� pz (F); σsp* � s (H)
polare Bindung polare Bindung polare Bindung polare Bindung
F: - PartialladungH: + Partialladung
Grenzfall:bindendes Orbital ≙ AO des „-“ Atomsantib. Orbital ≙ AO des „+“ Atoms
nur bindende Orbitale besetzt:Ionenbindung Ionenbindung Ionenbindung Ionenbindung s 2s2
chem. Grundlagen 42
Mehratomige Moleküle
Atome MolekülAtomorbitale Molekülorbitale
MOAO AnzahlAnzahl =
alternative Modelle zur Bildung von Molekülorbitalen:
lokalisierte elokalisierte e--: je 2 Atome: paarweise Molekülorbitale
delokalisiertedelokalisierteee--: alle Atome: gemeinsame Molekülorbitale
Beispiel H2O:
σsp: H (1s1) & O (2py1)
σsp: H (1s1) & O (2px1)
chem. Grundlagen 43
Mehratomige MoleküleCH4: C: 2s2 2p2 ���� Hybridisierung in 2sp3
gleichwertige Bindungsrichtungen gleichwertige Bindungsrichtungen gleichwertige Bindungsrichtungen gleichwertige Bindungsrichtungen ����elektrostatische Abstoelektrostatische Abstoelektrostatische Abstoelektrostatische Abstoßßßßung minimalung minimalung minimalung minimal
4 σ-MO‘s
TetraederTetraeder
chem. Grundlagen 44
Kohlenwasserstoffe
C2H6:
C: sp3-Hybrid �4 σ-Bindungen
C2H4:
C: sp2 & p1
� 3 σ, 1 π
chem. Grundlagen 45
Kohlenwasserstoffe
C2H2:
C6H6:sp2 �
σ-Bindungen: lokalisiert
p �π-Bindungen: delokalisiert