Atombindung, Moleküle und molekulare Stoffe Flashcards
Moleküle
Ein Molekül ist ein Teilchen aus mehreren Atomen, die durch Atombindungen (Elektronenpaarbindungen, kovalente Bindungen) zu einer Einheit gebunden sind.
Molekülgrösse
Die meisten anorganischen Moleküle bestehen aus weniger als einem Dutzend Atomen. Die Riesenmoleküle von organischen Stoffen wie z. B. Eiweissen, Kohlenhydraten und Kunststoffen können aus Tausenden von Atomen aufgebaut sein.
Molekulare Stoffe
Stoffe, die bei NB aus Molekülen bestehen, nennt man molekulare Stoffe. Zu ihnen gehören die Nichtmetalle und die Verbindungen mehrerer Nichtmetalle. Molekulare Stoffe mit kleinen Molekülen haben in der Regel tiefe Schmelz-und Siedetemperaturen, weil die Kräfte zwischen den Molekülen relativ schwach sind.
Molekülgitter
Die meisten molekularen Stoffe bilden im festen Zustand ein Molekülgitter. In diesem sind die Moleküle regelmässig geordnet und durch die Gitterkräfte (zwischenmolekulare Kräfte) an ihren Platz gebunden. Beim Schmelzen geht die regelmässig Anordnung verloren, die zwischenmolekularen Kräfte nehmen ab, wirken aber auch im flüssigen Zustand noch.
Atombindung
Die Bindung der Atome eines Moleküls 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 aufgewendet werden, um den Abstand ihrer Kerne zu verändern. Die Bindungslänge ist der Abstand, den die Atomzentren beim Erreichen des Energieminimums haben.
Bindende Elektronenpaare
Die Atome eines Moleküls sind durch gemeinsame Elektronenpaare gebunden. Ein gemeinsames EP hält sich bevorzugt zwischen den Kernen der gebundenen Atome auf und bindet diese durch die gegenseitige elektrostatische Anziehung.
Elektronenwolken-Modell
- Eine Elektronenwolke (EW) ist der Raum, in dem sich ein Elektron oder ein Elektronenpaare mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält.
- Der Atomrumpf ist umgeben von maximal vier Elektronenwolken (für die maximal acht Valenzelektronen eines Atoms). Jede Wolke wird zuerst einfache 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.
Gemeinsame Elektronenwolke
Bei der Bildung einer Atombindung „verschmelzen“ zwei einfach besetzte Elektronenwolken von zwei Atomen zu einer doppelt besetzten Wolke. Diese wird auch als bindende oder gemeinsame Wolke bezeichnet. Sie ist der Raum, in dem sich das gemeinsame, bindende Elektronenpaare mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält.
Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen
Zwei Nichtmetall-Atome können durch eine Atombindung gebunden sein. Nach der Zahl der bindenden Elektronenpaare unterscheidet man Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen. Eine Doppelbindung ist kürzer und stärker als eine Einfachbindung zwischen den gleichen Atomen. Ihre Bindungsenergie ist aber weniger als doppelt so gross, weil sich die beiden bindenden EP abstossen. Durch diese Abstossung sind die beiden EW der Doppelbindung bananenförmig gekrümmt. Entsprechendes gilt für die Dreifachbindung.
Oktettregel
Die Oktettregel besagt: Die Atome der zweiten Periode erreichen in Molekülen die Edelgaskonfiguration, d.h., der Atomrumpf der gebundenen Atome ist von acht Elektronen umgeben. Die Oktettregel gilt (mit zahlreichen Ausnahmen) auch für Nichtmetall-Atome höherer Perioden. Wasserstoff-Atome erreichen ein Elektronenduplett.
Bildungswerk
Der Bindungswert ist die 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.
Elektronegativität
Die Elektronegativität (EN) ist die Fähigkeit gebundener Atome, die bindende Elektronen anzuziehen.Als Mass verwenden wir die Skala von Linus Pauling, in der dem elektronegativsten Element Fluor der Wert 4.0, dem Lithium der Wert 1.0 zugeordnet wird. Die EN ist umso höher, je kleiner das Atom und je höher seine Rumpfladung ist.
unpolare Bindungen
Bindungen zwischen Atomen mit gleicher EN sind symmetrisch und damit umpolar, weil die beiden Atomrümpfe die Bindungselektronen gleich stark anziehen. Die Bindungen in den Element-Molekülen sind unpolar
Polare Bindungen, Partialladungen
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 (S-), sein Partner eine positive (S+) Teilladung (Partialladung). Die Bindungspolarität ist umso höher, je grösser der EN-Unterschied der Bindungspartner ist.
Bindungslänge
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
Bindungswinkel
Der BIndungswinkel 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 Bindungswinkel ist abhängig von der Zahl der Bindungen und der nicht-bindenden EP (EPA-Modell).
Bindungsenergie
Die Bindungsenergie ist die Energie, die bei der Bildung einer Atombindung frei wird bzw. Zu ihrer Spaltung aufgewendet werden muss. Die Einheit ist Kilojoule durch Mol (kJ/mol).
Je höher die Bindungsenergie, umso energieärmer sind die Moleküle bzw. die Stoffe.
Die Bindungsenergie ist umso höher, je grösser die Zahl gemeinsamer Elektronenpaare, je kürzer die Bindung und je polarer die Bindung ist.
Molekülstruktur
Viele Eigenschaften molekularer Stoffe sind von der Struktur ihrer Moleküle abhängig. Zur vollständigen Beschreibung der Molekülstruktur gehören:
- Zahl und Art der gebundenen Atome, beschrieben durch die Molekülformel.
- Die Art der Bindungen (welche Atome sind wie gebunden?), beschrieben durch die Strukturformel
- Die Molekülgestalt, beschrieben durch Bindungswinkel und Bindungslängen, kann durch Molekülmodelle dargestellt werden
Molekülformel
In der Molekülformel stehen die 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.
In der Formel steht das Symbol des Elements mit der höheren EN meist hinten, die Symbole der Elemente der IV. Und der V. Gruppe stehen immer vorn.
Struktur-, Lewis- oder Strichformel
In der Strukturformel werden neben den Elementsymbolen, die hier für den Atomrumpf stehen, die Valenzelektronen durch Striche (Elektronenpaare) und Punkte (einsame Elektronen) dargestellt. Durch die Strukturformel, auch Lewis-Formel oder Strichformel genannt, können die Bindungsverhältnisse in Molekülen beschrieben werden. Die Striche für die bindenden Elektronenpaare stehen wie Bindestriche zwischen den Symbolen.
Molekülgestalt
Die Gestalt der Moleküle kann experimentell ermittelt werden. Aus den durch Messungen gewonnenen Daten wurden Modelle (z. B. EPA-Modell) abgeleitet, welche die (theoretische) Herleitung der räumlichen Struktur anderer Moleküle ermöglichen.
EPA-Modell
Das Elektronenpaarabstossungs-Modell ermöglicht Voraussagen über die Gestalt der Moleküle mithilfe der folgenden Regeln:
- Die Anordnung der Elektronenpaare (bzw. ihre Wolken) bestimmt die Gestalt des Moleküls, sie ergibt sich primär aus der Abstossung zwischen den Elektronen.
- Bindende und freie EP (bzw. ihre Wolken) 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 ein EP.
