Aufbau der Materie Die kovalente Bindung Inhalt Anisotrope
Aufbau der Materie: Die kovalente Bindung
Inhalt Anisotrope Wechselwirkung: Kovalente Bindung • Voraussetzung: Verfeinerung des Bohrschen Atommodells • Symmetrie der Orbitale
Quantenmechanik für die an einen Kern gebundenen Elektronen in drei Dimensionen • Die Schrödingergleichung wird für Potential und Wellenfunktion in drei Dimensionen aufgestellt • Es ergeben sich vier Quantenzahlen: – – Hauptquantenzahl n, Energie ~1/n 2 Drehimpuls- oder Orbitalquantenzahl l, Magnetische Quantenzahl m und die Spin-Quantenzahl ± 1/2 • Analog zu den Eigenschwingungen gekoppelter, identischer Oszillatoren unterscheiden sich die Auslenkungsmuster in ihren Symmetrieeigenschaften – vergleiche mit den beiden Eigenschwingung des „gekoppelten Pendels“ in einer Dimension
Die kovalente Bindung • Durch die Form der Orbitale ergeben sich bevorzugte Richtungen: – Im Gegensatz zur reinen Ionenbindung, wo das Ion als kugelförmiger Ladungsträger erscheint, gibt es gerichtete Ladungsbrücken zwischen den Teilchen • erzeugt durch ein Elektronenpaar, das zur Ladungswolke von beiden Partnern gehört
Orbitalformen (1) Symmetrie
Orbitalformen (2) Symmetrie
Orbitalformen (3) Symmetrie
Folge: Anisotrope Bindung in Richtung des Abstandsvektors Bindung senkrecht zum Abstandsvektor: in Cl 2 Eine und eine Bindung gibt es z. B. in N 2
Beispiel: Orbitale im Neon Haupt. Drehimpuls- oder quantenzahl Nebenquantenzahl N Schale 1 K 2 L Orientierungs. Max. Zahl der Quanten- Zustände zahl Schale, Orbital Typ Spin 0 s 0 2 -1 1 p 0 1 6 Form der Orbitale
Beispiele für kovalente Bindung • Der Kohlenstoff in Diamant, Graphit und Fulleren unterscheidet sich auf atomarer Ebene nur der Form der seiner Orbitale • Es resultieren unterschiedliche Arten der Bindung – unterschiedliche Strukturen – mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften
Diamant Gittert yp Aufbau Substanzen Diamant, C, (sp 3 Hybridisierun g) A 4 Diama nt (C)Typ • Si Ge Sn (α) : Grauer Zinn Hybridisierung: Im Diamant mischen sich ein kugelsymmetrisches s-Orbital und 3 p Orbitale zu einem einzigen Orbital mit Tetraeder Form. Auf diese Weise entsteht aus dem Kohlenstoff das Diamant Gitter, indem die Tetraeder über die Ecken miteinander verknüpft sind
Graphit Gittertyp Graphit. Gitter Aufbau Substanzen Graphit, C, (sp 2 Hybridisierun g) • Graphit mit kovalenter Bindung innerhalb der Schichten und van der Waals Bindung zwischen den Schichten
Fulleren Gittert yp Fullere n. Molek ül C 60 Aufbau Substanzen Durchmesser ungefähr 10 Å, Hohlraum etwa 7 Å Durchmesser • Im Fulleren Molekül gibt es zwei einfache- und eine Doppelbindung zu den Nachbarn
Zusammenfassung Anisotrope Wechselwirkung entsteht durch anisotrope Orbitale: – Folge der Quantenmechanik, jenseits des Bohrschen Atommodells • Folge: kovalente Bindung • Die meisten Bindungen zeigen Mischungen von ionischen und kovalenten Anteilen • Beispiel: Kohlenstoff als Diamant, Graphit und Fulleren. Diese Stoffe unterscheiden sich in der Form der Orbitale und deshalb in – Art der Bindung – Struktur – physikalischen Eigenschaften
Finis
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