CHEMIE Atombau und Bindungslehre 3/4

Die meisten molekulare Stoffe bilden in festem Zustand ein Molekülgitter.In diesem sind die Moleküle regelmässig geordnet und durch die zwischenmolekularen Kräfte an ihren Platz gebunden. Beim Schmelzen geht die regelmässige Anordnung verloren, die zwischenmolekularen Kräfte nehmen ab, wirken aber auch im flüssigen Zustand noch.

• Beruht auf der Anziehung zwischen den Kernen und den Bindungselektronen, die sich bevorzugt zwischen den gebundenen Kernen aufhalten.
• Wenn zwei Atome gebunden sind, muss Energie aufgewenddet werden, um den Abstand ihrer Kernen zu verändern.
• Die Bindungslänge ist der Abstand, den die Atomzentren beim Erreichen des Energieminimums haben.

• Die Atome eines Moleküls sind durch gemeinsame EP gebunden.
• Ein gemeinsames EP hält sich bevorzugt zwischen den Kernen der geundenen Atome auf und beindet diese durch die gegenseitige elektrostatische Anziehung.

• Eine EW ist der Raum, in dem sich ein Elektron oder ein Elektronenpaar mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält.
• Der Atomrumpf ist umgeben vom max. vier EW (für die max. 8 Valenzelektronen eines Atoms). Jede Wolke wird zuerst einfach besetzt.
• Da sich die EP abstossen, liegen die EW, die einen Atomrumpf umgeben, möglichst weit auseinander; die Winkel zwischen ihren Achsen sind so gross wie möglich.

• Bei der BIldung einer Atombindung verschmelzen zwei einfach besetzte Elektronenwolken von zwei Atomen zu einer doppelt bestzten Wolke.
• Diese wird auch als bindende oder gemeinsame Wolke bezeichnet.
• Sie ist der Raum, in dem sich das gemeinsame, bindende EP mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält.

• Zwei NM-Atome können durch eine Atombindungen gebunden sein.
• Nach der Zahl der bindenden EP unterscheidet man einfaach-, Doppelt- und Dreifachbindungen. 
• Eine Doppelbindung ist kürzer und stärker als eine EInfachbindung zweischen den gleichen Atomen.
• Ihre Bindungsenergie ist aber weniger als Doppelt so gross, weil sich die beiden bindenen EP abstossen.
• Durch diese Abstosseung sind die beiden EW der Doppelbindung bananenförmig gekrümmt.
• Enstprechendes gilt für die Dreifachbindung.

Die Atome zweier Periode erreichen in Molekülten die Edelgaskonfiguration (d.h. der Atomrumpf der gebundenen Atome ist von Elektronen umgeben.)

DIe Oktettregel gilt (mit zahlreichen Ausmahmen) auch für NM-Atome höherer Perioden. Wasserstpff-Atome erreichen ein Elektronenduplett.

Zahl der gemeinsamen Elektronenpaare, an denen sich ein Nichtmetall-Atom beteiligt. Er entspricht nach der Oktettregel der Zahl der Valenzelektronen, die ihm zum Oktett fehlen.

EN, ist die Fähigkeit gebundener Atome, die bindenden Elektronen anzuziehen. Als Mass verwenden wir die Skala von Linus Pauling (Fluor 4.0, Lithium 1.0). Die EN ist umso höher, je kleiner das Atom und je höher seine Rumpfladung ist.

Bindungen zwischen Atomen mit gleicher EN sind symmetrisch und damit unpolar, weil die beiden Atomrümpfe die Bindungselektronen gleich stark anziehen. DIe Bindungen in den Element-Molekülen sind polar.

Ist die Anziehung der Bindungspartner auf die gemeinsamen Elektronen verschieden stark, sind diese zum elektronegativeren Atom hin verschoben, die Bindung ist polar. Das elektronegativere Atom trägt eine negative, sein Partner eine positive Teilladung (Partialladung). Die Bindungspolarität ist umso höher, je grösser der EN-Unterschied der Bindungspartner ist.

Die Bindungslänge ist der Abstand zwischen den Zentren der gebundenen Atome. Sie ist die Summe der kovalenten Radien. Der kovalente Radius ist der halbe Abstand zwischen den Zentren von zwei miteinander verbundenen gleichartigen Atomen.

Ist der Winkel zwischen den Achsen der bindenden Elektronenwolken, die von einem Atom ausgehen. Im Kugel-Stab-Modell wird er durch den Winkel zwischen den Stäbchen dargestellt. Der Bindungwinkel ist abhängig von der Zahl der Bidungen und der nicht-bindenden EP. (EPA-Modell)

Ist der Winkel zwischen den Achsen der bindenden Elektronenwolken, die von einem Atom ausgehen. Im Kugel-Stab-Modell wird er durch den Winkel zwischen den Stäbchen dargestellt. Der Bindungwinkel ist abhängig von der Zahl der Bidungen und der nicht-bindenden EP. (EPA-Modell)

Ist die Energie, die bei der Bildung einer Atombindung frei wird, bzw. zu ihrer Spaltung aufgewendet werden muss. Die Einheit ist kJ/mol.

Je höher die Bindungsenergie, umso enegerieärmer sind die Moleküle bzw. die Stoffe.

Die BIndungsenergie ist umso höher, je grösser die Zahl gemensamer EP, je kürzer die BIndung und je polarer die Bindung ist.

Viele Eigenschaften molekularer Stoffe sind von der Struktur ihrer Moleküle abhängig. Zur vollständigen Beschreibung der Molekülstruktur gehören:

• Zahl & Art der gebundenen Atome, beschrieben durch die Molekülformel.
• Art der Bindungen (welche Atome sind wie gebunden?), beschrieben durch die Strukturformel.
• Molekülgestalt, beschrieben durch Bindungswinkel & BIndungslängen, kann durch Molekülmodelle dargestellt werden.

• Symbole der gebundenen Atome, gefolgt von einem tiefgestellten Index für die Anzahl der betreffenden Atome in einem Molekül, sofern diese von eins abweicht.
• Für Moleküle, die der Oktettregel folgen, kann die Formel aus den Bindungswerten der beteiligten Atome berechnet werden.
• z.B. SCl₂

• IN der Formel steht das Symbol des Elements it der höheren EN meist hinten, die Symbole der 4. & 5. Hauptgruppe stehen immer vorn. (C,N)
• Name der Elemente, Endung-id.
• Durch griechische Zahlwörter (mono, di , tri, tetra, penta, hexa) vor den Elementnamen wird angegeben wie viele Atome der betreffenden Sorte in einem Molekül gebunden sind. 

In der Strukturformel werden neben den Elementsysmbolen, die hier für den Atomrumpf stehen, die Valenzelektronen durch Striche & Punkte dargestellt. 

Damit können Bindungsverhältnisse in Molekülen beschrieben werden. Die Striche für die bindenden Elektronenpaare stehen wie Bindestriche zwischen den Symbolen.

• kann experimentell ermittelt werden
• aus den Daten -> EPA-Modell
• ermöglichen theoretische Herleitung der räumlichen Struktur anderer Moleküle

• Kalottenmodell: Kalotten untersch. Grösse
• Kugel-Stab-Modell: Atomrümpfe durch Kugeln, bindende EP werden durch Stäbchen dargestellt
• Keilstrichformeln: Striche für Bindungen in der Zeichenebene, Keile für Bindungen, die nach vorne bzw. hinten gerichtet sind.

Das Elektronenpaarabstossungs-Modell ermöglicht die Voraussagen über die Gestalt der Moleküle mithilfe folgender Regeln:

• Anordnung der EP bestimmt die Gestalt des Moleküls, sie ergibt sich primär aus der Abstossung zwischen den Elektronen.
• Bindende und freie EP sind in einem Molekül so um die Atomrümpfe angeordnet, dass sie möglichst grosse Entfernung voneinander haben.
• Die Elektronenwolken der freien EP sind grösser als die der BIndenden.
• DIe EP von Mehrfachbindungen wirken auf benachbarte Elektronen wie EP.

Bei Moleküle mit polaren Bindugen, entscheidet die Molekülgestalt, ob das Molekül ein Dipol ist oder icht. Dipol-Moleküle haben einen positiven und einen negativen Pol. Dies trifft zu wenn die Bindungen polar sind und wenn der Schwerpunkt der positiven Teilladungen nicht mit dem der negativen zusammenfällt.

• wirken zwischen den Molekülen von molakularen Stoffen, im festen und im flüssigen Zustand.
• bestimmen weitgehend die physikalischen Eigenschaften molekularer Stoffe.
• die sie i.d.R. wesentlich schwächer als die Atombindungen in Molekülen sind, bleiben kleine Moleküle beim Schmelzen & Verdampfen molekularer Stoffe meist unverändert.
• nur grosse wenig stabile Moleküle zersetzen sich schon unterhalb der Schmelztemperatur des Stoffs (z.B. Zucker)
• weil dei Kräfte zwischen den kleinen MOlekülen relativ schwach sind, haben viele molekulare Stoffe tiefe Schmelz- und Siedetemperaturen.

• wirken zwischen ALLEN Molekülarten.
• sind die Folge asymmetrischen Elektronenverteilung, die in Atomen oder Molekülen druch die Bewegung der Elektronen temporär auftritt (momentane DIpole)
• sind bei kleinen Molekülen schwächer als Dipol-DIpol-Kräfte und Wasserstoffbrücken.
• sind umso stärker, je grösser die Molekülmasse bzw. Moleküloberfläche ist.

• Kräfte zwischen DIpol-Molekülen.
• beruhen auf der gegenseitigen Anziegung der entgegengesetzt geladenen Pole.
• Ihre Stärke ist von der Molekülgestalt und von der Polarität der Bindungen (EN-Unterschied) abhänging.

• elektrostatische Kräfte zwischen H-Atomen, die an F-, O- oder N-Atome gebunden sind, und den freien EP dieser Atome in benachbarten Molekülen.

siehe Bild

• Nichtmetalle 
• Verbindungen von mehreren Nichtmetallen
• weil ihre Moleküle durch relativ schwache zwischenmolekulare Kräft zusammengehalten werden, sind Vetreter mit kleinen Molekülen bei NB mehrheitlich gasförmig oder flüssig
• leiten den elektrischen Strom nicht

• Stoffe mit Makromolekülen
• bei NB meist fest
• viele zersetzen sich beim erwärmen
• Naturstoffe (EW, Nucleinsäuren)
• Kunststoffe (PE,PVC, PET...)

Die meisten molekularen Stoffe bilden im festen Zustand ein Molekülgitter. Die GItterbausteine sind Moleküle, die Gitterkräfte zwischenmolekulare Kräfte.

Im Atomgitter sind alle Atome durch kovalente Verbindungen zu einem Riesenmolekül gebunden.

Stoffe mit Atomgitter (Diamant, Quarz) sind darum extrem hart und besitzen hohe Smt.

Eigenschaften eines Stoffs sind nicht nur von der Art der Teilchen abhängig, sondern auch von deren Anordnung und den Kräften zwischen ihnen. Darum können sich aus einer Art von Teilchen verschiedenartige Modifikationen bildnen. (z.B. Diamant vs. Grafit)

• NM sind Elemente mit vier oder mehr Valenzelektronen
• sie haben eine hohe Rumpfladung und entsprechend grosse Ionisierungsenergien und Elektronegativitäten
• siehe BIld Buch S. 78 503