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Heute: Chemische Bindung

• Welche Arten der chemischen Bindung gibt es? Pingo⁵

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Schwerpunkte heute

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Die Ionenbindung

• Kochsalz, NaCl, der Paradevertreter:

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Bildlich - Elektronenübertrag

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Natriumchloridstruktur

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weitere Kristallgitter

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Ionenbindung - Anziehungskräfte

• vereinfacht: Anziehung zwischen geladenen Teilchen –> Coulomb Gesetz ganz klassisch zur Beschreibung

• Übergang von kovalenter Bindung zur ionischen Bindung fließend –> unterschiedliche Beiträge

• Bsp….

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Electric Field Hockey

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Ionenbindung - Born-Haber

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Einschub zur Lewis-Schreibweise

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Das Konzept der Atombindung

• Valenzstrichformel geteilte(s) gemeinsame(s) Elektronenpaar(e) –> siehe wie in Lewis-Schreibweise
• Elektronegativitäten der Bindungspartner sind ähnlicher
• gerichtet
• Atomorbitale WW miteinander –> Molekülorbitale
• Valenzbindungstheorie (VB) und Molekülorbitaltheorie (MO)

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Die MO-Theorie

• ausgehend von Atomorbitalen(AOs) die miteinander wechselwirken –> bilden Molekülorbitale (MOs)
• die Elektronen halten sich in den so gebildeten MOs auf

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Die MO-Theorie 2

• Elektronen in MOs im Feld mehrerer Kerne
• nur Kombination AOs gleicher Symmetrie und vergleichbarer Energie
• Anzahl AOs gleich Anzahl MOs
• additive- (Bsp. 1s+1s –> \(\sigma\) ) / subtraktive- (Bsp. 1s-1s –> \(\sigma^*\)) Kombination möglich

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Besetzung der MOs

• die Besetzung erfolgt nach der Hundschen Regel und unter Berücksichtigung des Pauli-Prinzips

• Die Bindungsordnung kann aus dem MO-Schema bestimmt werden:

\[ BDO=\frac{1}{2}\left(N_{bindende-e^{-}}-N_{anti-bindende-e^{-}}\right) \]

• hier: \(BDO=\frac{1}{2}(2-0)=1\)

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MOs aus p-AOs

• zum Bsp. 2p-AOs –> entlang x-, y- und z-Achse ausgerichtet

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MOs aus p-AOs

• …wenn sich zwei Atome entlang x–>Achse annähern, dann…
• \(p_x\)-Orbitale –> bindendes \(\sigma-2p\) und ein antibindendes \(\sigma^*2p\)-Orbital
• \(p_z\)-Orbitale –> bindendes \(\pi\)- und ein antibindendes \(\pi^*\)-Orbital
• \(p_y\)-Orbitale –> bindendes \(\pi\)- und ein antibindendes \(\pi^*\)-Orbital

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MOs aus p-AOs 2

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MO-Schema des \(O_2\)-Moleküls

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Valenzbindungstheorie - Einleitung

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Valenzbindungstheorie - \(H_2\)

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Valenzbindungstheorie - \(H_2\)-2

• Elektronen sind ununterscheidbar (Heisenbergsche Unschärferelation)
• beide der folgenden Wellenfunktionen müssen daher richtig sein: \(\Psi_A(2)\Psi_B(1)\) und \(\Psi_A(1)\Psi_B(2)\)
• auch positive und negative Linearkombination Lösung der Schrödinger-Gleichung

\[ \Psi_+=\Psi_A(2)\Psi_B(1)+\Psi_A(1)\Psi_B(2) \]

und

\[ \Psi_-=\Psi_A(2)\Psi_B(1)-\Psi_A(1)\Psi_B(2) \]

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\(H_2\) bindende/antibindende Beschreibung

• die beiden LCs liefern einmal eine Beschreibung in der eine Bindung beschrieben wird == Elektronendichte zwischen den Kernen
• …und nichtbindenede Beschreibung == Knotenebenen zwischen den Kernen –> keine Elektronendichte
• ganz wie in der MO-Beschreibung

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VB-Theorie Zusammenfassung \(H_2\)

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VSEPR-Modell

• Valence Shell Electron Pair Repulsion-Modell
• in Molekülen des Typs \(AB_n\) ordnen sich die Elektronenpaare der Valenzschale so an, dass sie sich möglichst weit aus dem Weg gehen

Tabelle: Anordnung nach VSEPR Modell mit X einfach gebundenem Atom

Anz. Elektronenpaare	Geometrie der Elektronenpaare	Molekültyp	Molekülgestalt	Beispiele
2	linear	\(AB_2\)	linear	\(HgX_2\), \(ZnX_2\)
3	dreieckig	\(AB_3\), \(AB_2E\)	dreieckig, v-förmig	\(BX_3\), \(GaI_3\)

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VSEPR-Modell Tabelle 2

Anz. Elektronenpaare	Geometrie der Elektronenpaare	Molekültyp	Molekülgestalt	Beispiele
4	tetraedisch	\(AB_4\)  \(AB_3E\)  \(AB_2E_2\)	tetraedisch, trig.pyramidal, v-förmig	\(BeX_4\),  \(OH_3^+\),  \(OX_2\)
5	trig.bipyramidal	\(AB_5\),  \(AB_4E\),  \(AB_3E_2\),  \(AB_2E_3\)	trig. bipyramidal, tetraed. verzerrt, t-förmig, linear	\(PCl_5\), \(SF_4\), \(ClF_3\), \(ICI_2^-\)
5	quadr.pyramidal	\(AB_5\)	quadr.pyramidal	\(SbF_5\)
6	oktaedrisch	\(AB_6\), \(AB_5E\), \(AB_4E_2\)	oktaedrisch, quadr.pyramidal, quadr.planar	\(SF_6\), \(ClF_5\), \(XeF_6\)

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Hybridisierung

• dieses Konzept kann es ermöglichen, Molekülgeometrien vorherzusagen
• stammt von Pauling
• Kombination unterschiedlicher Orbitale z.B. s- und p-Orbitale

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Hybridisierung - Schemata

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Hybridisierung - Struktur von Methan

• \(CH_4\) symmetrisch oder nicht?
• 4 \(\sigma\)-Bindungen? - und es stehen ein s-Orbital und drei p-Orbitale zur Verfügung
• also so…

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Hybridisierung - Struktur von Methan 2

• oder doch so…
• ja…das ist was man auch experimentell findet
• Wie kommt das nun zustande?

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Hybridisierung - Theorie

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Hybridisierung - Theorie 2

• Beispiel \(NH_3\): hier bilden 3 der vier \(sp^3\)-Hybridorbitale \(\sigma\)-Bindungen

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Vergleich der Strukturen - \(NH_3\)

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Vergleich der Strukturen - \(CH_4\)

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Elektronengas / Metallische Bindung

• Metallgitter wird von positiv geladenen Ionenrümpfen gebildet, Gitterplätze im Kristall
• Valenzelektronen sind delokalisiert –> relativ freie Bewegung –> Elektronengas
• Das Elektronengas bildet den Zusammenhalt des Metallgitters

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Elektronengasmodell

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Bändermodell

• Metallkristall setzt sich aus vielen isolierten Metallatomen eines Metalldampfes zusammen
• Annäherung –> Wechselwirkung
• AOs ww miteinander –> Aufspaltung –> dichte Folge von Energiezuständen

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Bändermodell - MO-schematisch

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Bändermodell - mehrere Bänder

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Bändermodell - Überblick

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Koordinative Bindung

• … ist die Art von Bindung, die in der Komplexchemie vorkommt
• in diesem Fall werden die Elektronen nicht geteilt, sondern stammen von einem Bindungspartner

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Komplexchemie

• Komplexverb. besitzen ein Zentrum (Metall-Atom / Metall-Ion) und eine Ligandenhülle (mehrere Moleküle / Ionen)
• Ligand wirkt als Lewis-Base
• Zentralatom wirkt als Lewis-Säure

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Einschub Lewis-Säure-Base-Konzept

• allgemeiner als Brönsted-Definition einer Protonenübertragungsreaktion
• eine Lewis-Säure ist ein Elektronenpaar-Akzeptor –> unbesetzte Orbitale in der Valenzelektronenschale
• eine Lewis-Base ist ein Elektronenpaar-Donator –> freies Elektronenpaar
• bei der Reaktion entsteht eine Atombindung

• Beispiele für Lewis-Säuren: \(BF_3,AlH_3,SO_2,Al^{3+},...\)
• Beispiele für Lewis-Basen: \(NH_3,PH_3,H_2O,F^-,CN^-,...\)

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Komplexchemie - Koordinationszentrum

• Zentral-Atom oder Ion
• stabilste Komplexe aus Metall-Ionen mit hoher positiver Ladung und kleinem Ionenradius
• es gibt einkernige und mehrkernige Komplexe

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Komplexchemie - Liganden

• Moleküle oder Ionen
• müssen “freies” Elektronenpaar mitbringen –> Knüpfung der Bindung mit Zentralteilchen
• einzähnige und mehrzähnige Liganden
• einzähnige: \(NH_3\), \(H_2O\) oder \(CN^-\)

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EDTA - ein mehrzähniger Ligand

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EDTA - ein mehrzähniger Ligand

• Aber was ist z. B. mit \(Mg^{2+}\)

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Die Koordinationszahl

• definiert als die Anzahl der vom Zentralteilchen gebundenen Liganden
• im Bereich 2-12 bekannt –> am häufigsten 2, 4 und 6
• entsprechende Koordinationspolyeder ergeben sich aus den Koordinationszahlen

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Nomenklatur von Komplexen

• in der Komplexformel müssen enthalten sein: Zentralatom, Liganden, Anzahl und Ladung
• Koordinationseinheit in eckigen Klammern, Ladung als Exponent
• Zentralatom vor Liganden + Liganden in alphabetischer Reihenfolge; Abkürzungen werden genauso wie Formeln behandelt
• Bsp.: \([Al(OH)_4]^-;[Cu(H_2O)_2(NH_3)_4]^{2+}\)

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Nomenklatur von Komplexen 2

• Koordinationseinheit in eckige Klammern, ggf. Ladung als Exponent
• Zentralatom vor Liganden
• Alphabetische Reihenfolge bei den Liganden (Abkürzungen wie Formeln)
• Mehratomige Liganden sowie Abkürzungen in runde Klammern
• Oxidationszahl als Exponent hinter dem Zentralatom
• Strukturinformationen vor die Komplexformel mit Hilfe von Vorsilben cis-, trans-, fac (facial), mer (meridional)

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Systematische Namen von Komplexen

• Liganden vor Zentralatom
• Anzahl wird in griechischen Zahlwörtern vorangestellt
• um bei komplizierten Liganden nicht die Übersicht zu verlieren, werden diese in Klammern gesetzt und mit Präfixen versehen: bis, tris, tetrakis, …
• 2 Beispiele:
• \([Al(OH)_4]^-\) - Tetrahydroxidoaluminat(III) bzw. Tetrahydroxidoaluminat(1-)
• \([Cu(H_2O)_2(NH_3)_4]^{2+}\) - Tetraammindiaquakupfer(II)
• \([Cu(H_2O)_2(CH_3NH_2)_4]^{2+}\) - Diaquatetrakis(methylamin)kupfer(II) - hier nicht Tetramethylamin –> \(N(CH_3)_4^+\)

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Liste häufiger Liganden

Anionische Liganden			Neutrale Liganden
Abkürzung	alt	neu	Abkürzung	neu
\(F^-\)	fluoro	fluorido	\(H_2O\)	aqua
\(Cl^-\)	chloro	chlorido	\(NH_3\)	ammin
\(OH^-\)	hydroxo	hydroxido	\(CO\)	carbonyl
\(CN^-\)	cyano	cyanido	\(NO\)	nitrosyl
\(NCO^-\)		cyanato
\(O^{2-}\)	oxo,oxido	oxido
\(NH^{2-}\)		amido
\(H^-\)		hydrido

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Systematische Namen von Komplexen 2

• keine Leerzeichen zwischen Namen d. Koord.einheiten
• alphabetische Reihenfolge
• anionische Komplexe enden auf \(-o\)
• neutrale, positiv geladene –> keine bez. Endung
• neutrale Liganden in () aber Ausnahmen für häufig verwendete
• nach Liganden –> Zentralatom –> bei anionischen \(-at\) als bez. Endung
• Ladung in runden () hinter den Namen; alternativ Ox.stufe
• zusätzliche Strukturinformationen \(cis-\) od. \(trans-\) davor
• Alle Infos: IUPAC-Nomenklatur

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Nichtbindende Wechselwirkungen…

• …begegnen uns im täglichen Leben:

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…NB WW 2

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nichtbindende WW-Typen

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Verlauf des Lennard-Jones-Potentials

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Verlauf des Lennard-Jones-Potentials 2

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Wasserstoffbrückenbindungen

• Die H-Brücke ist eine Art der Dipol-Dipol-Bdg.
• H als Brücke zw. zwei elektronegativen Atomen
• mit einem Atom polare kovalente Atombindung und mit dem anderen durch elektrostatische Kräfte verbunden
• ungefähr \(18 nm\) Bindungslänge und Winkel:\(180^\circ \pm 20^\circ\)

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\((H_2O)_{20}\) in Bewegung

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\((H_2O)_{18}OH^-H_3O^+\)-Cluster in Bewegung

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Verlauf von Bindungsabständen

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Fragen?

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12.04.2019

Daniel Bellinger