Atome und Bindungen Was sollen Sie mitnehmen? Elementare Grundlagen: Atome und Bindungen •
Schalenmodell
•
Orbitalmodell
•
Periodensystem der Elemente
•
Typische Eigenschaften der Elemente
•
Die vier Bindungstypen • • • •
•
Kovalente Bindung Metall-Bindung Ionen-Bindung Dipol-Dipol-Bindung
Eigenschaften und Vergleich der Bindungstypen
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
1/28
Atome und Bindungen
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
2/28
Atome und Bindungen Das Schalenmodell
Atommodell von Bohr: Schalenmodell •
Elektronen sind in “Hauptschalen” (K,L,M... = 1,2,3) verortet, jede Schale kann eine maximale Anzahl von Elektronen aufnehmen
•
Richtungsabhängigkeit von Bindungen wird nicht erklärt
•
Standard-Atom: Zahl der Elektronen = Zahl der Protonen = Zahl der Neutronen
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
3/28
Atome und Bindungen Atome, Ionen, Isotope
• • •
Atom: eindeutig bestimmt durch die Zahl der Protonen Ion: Varianten eines Atoms, bei dem Zahl der Elektronen Zahl der Protonen -> elektrisch geladen Isotop: Varianten eines Atoms, durch unterschiedliche Zahl der Neutronen. Beispiel oben: Isotope des Wasserstoffs
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
4/28
Atome und Bindungen Stabile und Instabile Isotope
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
5/28
Atome und Bindungen Erweitertes Atommodell: Die Hauptschalen enthalten Orbitale
•
Erweiterung des Bohr'schen Modells: Die Elektronen in jeder Hauptschalen können in bestimmten Orbitalen schwingen, Aufenthaltswahrscheinlichkeit
K-Schale: s-Orbital (2e) L-Schale: s-Orbital (2e) + p-Orbital (6e) M-Schale: s-Orbital (2e) + p-Orbital (6e) + d-Orbital (10e) N-Schale: s-Orbital (2e) + p-Orbital (6e) + d-Orbital (10e) + f-Orbital (14e) •
Grund: Elektronen stoßen sich gegenseitig ab
•
Prinzip von Pauli: keine zwei gleichen Schwingungszustände in einem Atom!
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
6/28
Atome und Bindungen Orbitale auf den Hauptschalen
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
7/28
Atome und Bindungen Energie der Atomorbitale Energie und Orbitale von Elekronen am Beispiel Neon
L-Schale: 8 Elektronen
K-Schale: 2 Elektronen
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
8/28
Atome und Bindungen Anregung von Elektronen
Elektronen können unter Aufnahme von Energie in höhere Orbitale oder Schalen wechseln (Voraussetzung für manche chem. Verbindungen) Das Elektron kann auf das Ausgangsniveau zurückfallen unter Abgabe einer bestimmten Energiemenge -> Photon bestimmter Wellenlänge G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
9/28
Atome und Bindungen Bildung neuer “angeregter” oder “entarteter” Orbitale unter Energiezufuhr
Beispiel für die “Entartung” Orbitalen Beispiel: Ein 2s- und drei 2p-Orbitale bilden vier gleichartibe sp3-Orbitale (->Diamantgitter)
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
10/28
Atome und Bindungen Anzahl, Bezeichnung der Schalen und Orbitale
[Callister2007]
• •
Hauptschalen: K, L, M, N… , International 1,2,3… Bezeichnung der Hauptschalen/Orbitale: 3s, 2p, 3d, 4f, o.ä.
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
11/28
Atome und Bindungen Besetzung der Schalen einiger Hauptgruppenelemente, Valenzelektronen Z: Ordungszahl = Anzahl Protonen = Anzahl Neutronen (aber: Isotope)
[Thomas Ebel]
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
12/28
Atome und Bindungen Reihenfolge der Besetzung der Orbitale
• •
Internationale Bezeichnung K=1, L=2, M=3… Es wird NICHT immer die jew. äußerste Hauptschale voll gefüllt, bevor eine neue Hauptschale angefangen wird -> Nebengruppenelemente
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
13/28
Atome und Bindungen Internat. Schreibweise und Besetzung der Schalen einiger wichtiger Elemente •
•
Atomzahl = Ordnungszahl: Zahl der Protonen = Zahl der Elektronen Grundkonfiguration einiger wichtiger Elemente
Wie ist die Konfiguration zu lesen? Beispiel “1s2” • 1 = K-Schale • s = S-Orbital • 2 = 2 Elektronen in diesem Orbital
[Callister2007]
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
14/28
Atome und Bindungen Verkürztes Periodensystem, nur Hauptgruppen
[RoosMaile2005]
• • •
Metalle (Links) Halbmetalle (Grau) Nichtmetalle (Rechts)
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
15/28
Atome und Bindungen Wie kommt es zu Nebengruppenelementen? → Nebengruppenelemente haben Elektronen auf der Außenschale, während eine tiefer liegende Schale noch nicht vollständig gefüllt ist (ähnlich bei den Lanthaniden)
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
16/28
Atome und Bindungen Periodensystem
[Weißbach2007]
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
17/28
Atome und Bindungen Periodensystem: Wo liegen Metalle, Nichtmetalle, Edelgase
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
18/28
Atome und Bindungen Periodensystem, Schmelzpunkte
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
19/28
Atome und Bindungen Die vier Bindungstypen
Wir nennen den vierten Bindungstyp “Dipol-Dipol-Bindung”. Varianten hiervon sind die Wasserstoff-Brücken-Bindung und die Van-derWaals-Binding G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
20/28
Atome und Bindungen Oktettregel Bestreben eine Außenschale mit acht Elektronen (Bindungsfähige Außenelektronen=Valenzelektronen) zu haben → energetisch besonders günstig Wie geht das? •
„Abstoßen“ der äußeren Elektronen → Elektronengas → metallisch
•
Gemeinsame Nutzung von Elektronen → kovalent
•
Vollständiger Elektronenübergang → ionisch
Chemie: Physik der Elektronen-Außenschale
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
21/28
Atome und Bindungen Kovalente Bindung (Elektronenpaar-Bindung)
[Callister2007]
• • • •
Bestreben, eine volle Außenschalen (oder acht Elektronen) oder gar keine Elektronen auf der Außenschale zu haben (d.h. die nächst tiefere Schale ist voll) Je zwei Atomrümpfe nutzen zwei Elektronen gemeinsam, kein vollständiger Elektronenübergang. Die Orbitale umfassen das ganze Molekül -> Molekülorbital Kovalente Bindung sit stark (Diamant, Polymerketten,…) Die kovatenten Bindungen sind gerichtet (Orbitale)
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
22/28
Atome und Bindungen Metallbindung
•
Gemeinsame „Nutzung“ der Außenelektronen im „Elektronengas“
•
Elektronen leicht verschiebbar, nicht an EIN Atom oder EIN Molekül [Callister2007] gebunden → elektrische Leitfähigkeit
•
„Orbitale“ umfassen den gesamten Stoff
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
23/28
Atome und Bindungen Eigenshaften von Metallen
[RoosMaile2005]
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
24/28
Atome und Bindungen Metalle
[RoosMaile2005]
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
25/28
Atome und Bindungen Edelmetalle
[RoosMaile2005]
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
26/28
Atome und Bindungen Ionenbindung
Ionenbindung • Vollständiger Übergang von Elektronen von einem auf ein anderes Atom • Ladungen nicht mehr ausgeglichen -> Ionen • Starke elektrostatische Kräfte zwischen den geladenen Ionen • Bindung selbst ist ungerichtet G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
27/28
Atome und Bindungen Dipol-Dipol-Bindung
• • •
Keine gemeinsame „Nutzung“ der Außenelektronen Durch Verzerrung der Elektronenhüllen von Verbindungen entstehen Dipole (temporär oder dauerhaft) Anziehung/Abstoßung durch elektrostatische Kräfte
[Callister2007]
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
28/28
Atome und Bindungen Beispiel: Auflösen ionischer Stoffe durch Dipol-Dipol-Bindung
• •
Das polare Lösemittel (z.B. Wasser) umgibt die Ionen und schirmt sie von der Umgebung bzw. ihren „Partnern“ ab -> neutraler Komplex So ist das Auflösen/Ausfallen von ionischen Bindungen erklärbar.
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
29/28
Atome und Bindungen Beispiel: Auflösen ionischer Stoffe durch Dipol-Dipol-Bindung
•
Die Abschirmungsschicht kann mehrere Lagen dick sein
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
30/28
Atome und Bindungen Bindungstypen, Bindungsenergien
[Callister2007]
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
31/28
Atome und Bindungen Bindungstypen und Materialeigenschaften
Das ist so verkürzt nicht richtig – die Bindung selbst ist nicht viskoelastisch
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
32/28
Atome und Bindungen Eigenschaften der Bindungstypen
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
33/28
Atome und Bindungen Beispiele für Klausuraufgaben •
Gegeben sei ein Element. Geben Sie den Atomaufbau nach Bohr an, Verwenden Sie: Elektronen, Protonen, Neutronen, Schalen
•
Wie ist das Zahlenverhältnis zwischen Elektronen, Protonen, Neutronen in einem Standard-Atom?
•
Was sind Ionen? Was Isotope?
•
Was besagt das Orbitalmodell, welche Bindungseigenschaft erklärt es?
•
Welche Orbitale kann es in welcher Hauptschale geben?
•
Muss ein Elektron immer in seiner Schale bzw. seinem Orbit bleiben? Wie kann es wechseln?
•
Kohlenstoff: Welche Schalen haben wie viele Elektronen?
•
Was sind “Nebengruppenelemente” im Periodensystem?
•
Gegeben sei ein Nebengruppenelement (Ni, Co, Fe, Cr,…). Geben Sie die Elektronenkonfiguration nach dem Schema 1sa 2sb 2pb
•
Was besagt die “Oktett-Regel”?
•
Welche vier wichtigen Bindungstypen gibt es? Welche Rolle spielen die Elektronen jeweils? Nennen Sie für jeden Bindungstyp typische Verbindungen
•
Sortieren Sie die Bindungstypen grob nach Bindungsstärke (Bindungsenergie)
G. Kalinka
NUR FÜR LEHRZWECKE!
34/28