Einführung und Hallo!

Chemie in Allem?!!

Chemie überall?

Material und mehr

• Das gesammelte Material finden Sie auf der Uni-Plattform Wuecampus2:
• unter folgendem Link: Wuecampus2
• hier sind auch CaseTrains zu finden –> Online Fälle zum Durchklicken
• auch die Übungsblätter werden dort zu finden sein, was uns zum Zeitplan führt

Zeitplan

• Die "Vorlesungstermine finden in Hörsaal A und B statt, ansonsten in HS A, D und E für die Übungen

Warum habe ich mich für Chemie entschieden?

• Zum Aufwärmen werden wir eine kleine PINGO-Umfrage starten
• Pingo ist ein Open-Source Projekt der Uni Paderborn
• Was brauchen Sie?
• Pingo
• und die Session-ID: 437111

Wer die Wahl hat, hat die Freude

Es gäbe 6 Themenschwerpunkte (ohne Einleitung), aus denen wir zunächst 3 auswählen, um diese zuerst zu behandeln Was kommt auf uns zu?

Heute: Atombau und Periodensystem

• Der Grundgedanke, dass Materie aus nicht weiter teilbaren Teilchen aufgebaut ist…ist schon sehr alt
• Demokrit (ca. 400 v.Chr.) feste, unteilbare Teilchen bilden die Materie
• John Dalton (1803 n. Chr.) gleicher Grundgedanke + Alle Atome eines Elements sind einander gleich (Masse, Gestalt), Atome verschiedener Elemente besitzen verschiedene Eigenschaften, chemische Verbindungen entstehen durch chemische Reaktionen von Atomen verschiedener Elemente

Atommodell nach Rutherford

Das Experiment

Die Person

Was brauchen wir, um die neuen Atommodelle zu verstehen?

Grundlagen zur elektromagnetischen Strahlung und Quantenchemie

Beschreibung von elektromagnetischer (EM) Strahlung

• Als Welle:

Beschreibung von EM Strahlung

Photoelektrischer Effekt

• EM-Strahlung kann auch als Teilchenstrom verstanden werden
• Auftreten von Energieportionen Quanten (für Licht: Photonen)
• \(E=h \cdot \nu\) wobei \(h=6,62608 \cdot 10^{-34} J \cdot s\) das Plancksche Wirkungsquantum ist.

Beispielrechnung zur EM-Strahlung

• Welche Energie hat ein Quant von:

Rechnung zu EM-Grundlagen I

Atomspektren

• Prisma/Dispersion
• Ablenkung von \(\lambda\) abhängig, je kleiner \(\lambda\) desto größer die Ablenkung

• jede Linie entspricht einer eigenen Wellenlänge

Atomspektren - Wasserstoffspektrum

Mathematische Beschreibung

• die Frequenzen lassen sich mathematisch mit folgender Gleichung beschreiben

\[ \nu = \frac{c}{\lambda}=3,289 \cdot 10^{15} \cdot \left(\frac{1}{2^2}-\frac{1}{n^2}\right)s^{-1} \]

• mit n=3,4,5,…
• Gl. nach J.J. Balmer (1885)
• Serie im sichtbaren Bereich ist die Balmer-Serie

Atomspektren - Erklärung mit dem Bohrschen Atommodell

• keine beliebigen Bahnen für Elektronen um Kern, bestimmte Kreisbahnen (Bohr-Radien)
• Bahndrehimpuls des Elektrons (\(m \cdot v \cdot r\)) ganzzahliges Vielfaches des Bahndrehimpulses (\(m\cdot v\cdot r=n\cdot\frac{h}{2\pi}\))

Bahngrößen-Bohrsches Atommodell

Deutung des Wasserstoffspektrums

• durch Gleichsetzen der wirkenden Kräfte Elektrostatik <-> Zentrifugalkraft konnte Bohr die Energie \(E_{n}\) berechnen
• Herleitung: …

Herleitung

\[ F_{pot}=F_{zentri} \]

\[ \frac{e^2}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot\frac{1}{r^2}=\frac{mv^2}{r} \]

• Multiplikation mit r

\[ \frac{e^2}{4 \pi \epsilon_{0}} \cdot \frac{1}{r}=mv^2 \]

\[ \rightarrow -E_{pot}=2 \cdot E_{kin} \] - Multiplikation mit \(mr^2\) \[ \frac{e^2}{4 \pi \epsilon_{0}} \cdot mr=m^2v^2r^2 \]

• Ausnutzung der Drehimpulsquantelung \(mvr=n\cdot \frac{h}{2\pi}\)

Herleitung b

\[ \frac{e^2}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot mr=\frac{n^2h^2}{4\pi^2} \]

\[ r_n=\frac{4\pi\epsilon_{0}n^2h^2}{me^24\pi^2} \]

• mit $ ℏ$ \(= \frac{h}{2\pi}\) ergibt (wobei wir ℏ als \(\bar{h}\) schreiben) sich:

\[ r_n=\frac{4\pi\epsilon_{0}n^2 \bar{h}^2}{me^2} \]

• der Bohrradius für \(n=1\) beträgt 52,9 pm.
• Die Energie \(E_n\) setzt sich aus \(E_{pot} + E_{kin}\) zusammen
• \(E_{pot}=2E_{kin}\)

Herleitung c und Energieausdruck

\[ E_{n}=-\frac{1}{2} \cdot (\frac{e^2}{4\pi\epsilon_{0}} \cdot \frac{1}{r}) \] - jetzt noch r einsetzen, mit \(r_n=\frac{4\pi\epsilon_{0}n^2\bar{h}^2}{me^2}\) \[ E_{n}= -\left(\frac{e^2}{4\pi\epsilon_{0}} \right)^2 \frac{m}{2\bar{h}^2}\frac{1}{n^2}=-\frac{1}{n^2}E_{R} \] - mit \(E_R=-\left(\frac{e^2}{4\pi\epsilon_{0}} \right)^2 \frac{m}{2\bar{h}^2}\)

Wasserstoffspektrum

Quanten, Wellen und Teilchen

• Teilchencharakter von Elektronen –> Einstein und Planck
• Wellencharakter Elektronen –> De Broglie
• Welle-Teilchen-Dualismus

Das wellenmechanistische Modell

• \(E = h \cdot \nu\) kennen wir ja schon…
• Die Frequenz kann ersetzt werden \(\nu = \frac{c}{\lambda}\) \[ E=h \cdot \frac{c}{\lambda} \]

Aufgabe zu de Broglie

Lösung zu De Broglie

• Tennisball (\(m=50,0 g, v=30m/s\))

\[ \lambda=\frac{h}{mv}=\frac{6,63 \cdot 10^{-34}kgm^2s^{-1}}{0,05kg \cdot 30ms^{-1}}=4,42 \cdot 10^{-34}m \]

• Elektron im H-Atom (“1.Bahn”) (\(m=9,11 \cdot 10^{-28}g, v=2,19 \cdot 10^6 m/s\))

\[ \lambda=3,32 \cdot 10^{-10} m=332pm \]

Heisenberg (HB) und die Unschärferelation

• als Schlussfolgerung aus dem Welle-Teilchen-Dualismus ergab sich die Unschärferelation von Heisenberg (1927)
• Bspw. sind Aufenthaltsort und Impuls eines Elektrons gleichzeitig nicht exakt bestimmbar

HB - Beschreibung von Atomen

bildlich

HB - Aufgabe

Die Schrödinger-Gleichung

\[ H\Psi=E\Psi \]

Die Quantenzahlen

• lösen der SGL für das Wasserstoffelektron
• man erhält Schwingungszustände, Ladungsverteilung, Energien
• erlaubte Zustände sind durch die Quantenzahlen beschrieben:
• Hauptquantenzahl \(n\), Nebenquantenzahl \(l\), magnetische Quantenzahl \(m_l\) und Spinquantenzahl \(m_s\)

Bedeutung der Hauptquantenzahl n

• möglichen Energieniveaus des Elektrons im Atom
• \(n\) kann alle ganzahligen positiven Werte von 1 bis unendlich annehmen
• Energieniveaus gleichbedeutend mit Schalen (K,L,M,N,…)

Bedeutung der Nebenquantenzahl l

• jede Schale kann in \(n\) Unterschalen aufgeteilt werden
• die Nebenquantenzahl \(l\) und die Hauptquantenzahl \(n\) sind über die Beziehung \(l\leq n-1\) verknüpft.
• Werte: \(1,2,3,...,n-1\)
• energetische Aufteilung und räumliche Form der Orbitale
• Bezeichnungen: \(s(l=1),p(l=2),d(l=3),f(l=4),...\)
• Die Anzahl der Orbitale ist \(2l+1\)

Bedeutung der magnetischen Quantenzahl

• Unterscheidung der Orbitale
• \(m_l\) kann Werte von \(-l\) bis \(+l\) annehmen
• Anzahl an Niveaus
• Richtungsinformation der Orbitale bzw. Orientierung

Bedeutung der Spinquantenzahl

• Eigendrehimpuls des Elektrons
• \(m_s=+\frac{1}{2}\) oder \(m_s=-\frac{1}{2}\)

Quantenzustände des Wasserstoff

Atomorbitale

Atomorbitale - Darstellungen a

Atomorbitale - Darstellungen b

Elektronenstruktur der Elemente

Wie gehe ich bei der Besetzung vor?

Halb- und Vollbesetzte Unterschalen

• eine Unterschale, bei der jedes Orbital einfach besetzt ist, wird als halbbesetzt bezeichnet

Halb- und Vollbesetzte Unterschalen b

• die Elektronenkonfiguration der Edelgase ist von großer Bedeutung, da besonders stabil
• nur vollbesetzte Unterschalen
• generelle Konfiguration: \(ns^2np^6\)
• bspw. Neon: \(1s^22s^22p^6\)
• geringe chemische Reaktivität

Ordnungsprinzipien - das Periodensystem der Elemente

Das PSE

- 2019 ist das Jahr des PSE IUPAC-PSE

Einteilung der Elemente

Einteilung der Elemente b

Periodische Eigenschaften - Radien

Periodische Eigenschaften - Ionisierungsenergien (IE/IP)

          - Das IP bezeichnet man als die benötigte Energie,
          um ein Elektron vollständig aus dem Atom zu entfernen.
          - innerhalb einer Gruppe nimmt die Abschirmung zu.
          --> leichter zu ionisieren
          - in einer Periode nimmt die Kernladung zu, 
          aber es gibt den Effekt der voll- und halbbesetzten Schalen.
          --> tendenziell schwerer zu ionisieren

Periodische Eigenschaften - IP b

Periodische Eigenschaften - Elektronen-affinität (EA)

Periodische Eigenschaften - Elektronegativitäten

Periodische Eigenschaften - Elektronegativitäten b

• die EN beschreibt die Fähigkeit eines Atoms das bindende Elektronenpaar in einer Atombindung an sich zu ziehen.
• die EN nimmt mit wachsender Ordnungszahl in der Hauptgruppe ab und in der Periode zu.

Periodische Eigenschaften - Metallisch?

Periodische Eigenschaften - Metallisch? b

• Der Metallcharakter beschreibt die Fähigkeit eines Atoms, Elektronen abzugeben und positiv geladene Kationen zu bilden (vgl. Ionisierungsenergie).

• Der Nichtmetallcharakter beschreibt die Fähigkeit eines Atoms, Elektronen aufzunehmen und negativ geladene Anionen zu bilden (vgl. Elektronenaffinität).

• Der metallische Charakter nimmt innerhalb einer Gruppe von oben nach unten zu und innerhalb einer Periode von links nach rechts ab. Für den nichtmetallischen Charakter gelten die entgegengesetzten Richtungen.

Periodische Eigenschaften - Reaktivität

• innerhalb Alkali- und Erdalkaligruppe nimmt die Reaktivität innerhalb der Gruppe mit steigender Ordnungszahl zu –> Valenzelektronen weiter weg vom Kern und lassen sich so leichter abspalten
• bis zu den Chalkogenen und Halogenen kehrt sich dieser Trend um, mit steigender Kernladungszahl sinkt das Bestreben \(e^-\) aufzunehmen.

Fragen ?

Periodic Table Game

Periodic table game