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Der Aufbau der Materie: Die kovalente Bindung
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Inhalt
• Anisotrope Wechselwirkung: Kovalente Bindung– Voraussetzung: Verfeinerung des
Atommodelles,– Symmetrie der Orbitale
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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
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Das quantenmechanische Atommodell
• Anstelle der Nummer der Schalen im Bohrschen Atommodell tritt die Haupt- (n) und Drehimpulsquantenzahl (l), nur wenige Schalen sind kugelförmig, alle anderen zeigen Vorzugsrichtungen
• Zu jeder Hauptquantenzahl gibt es max. n-1 Drehimpulsquantenzahlen l: – l=0, „s–Schale“, kugelsymmetrisch– l=1, „p–Schale“, Vorzugsrichtungen– l=2, “d-Schale“, Vorzugsrichtungen
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Theorie dazu: Die Schrödingergleichung der Quantenmechanik
• Ein System mit n Elektronen erscheint als ein System von n gekoppelten Oszillatoren, man findet 3n Eigenschwingungen – Wellen zu 3n unterschiedlichen Wellenzahlen
• 3n, weil in jeder der drei orthogonalen Richtungen n Eigenschwingungen entstehen
– Ihre Kombination liefert zum Teil anisotrope Auslenkungsmuster
• Alle Eigenschwingungen unterscheiden sich in ihren Symmetrieeigenschaften– Analog zu den beiden Eigenschwingung des
„gekoppelten Pendels“• Zwei Eigenschwingungen bei Kopplung von zwei gleichen
Pendeln mit Auslenkung in einer Dimension
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Orbitalformen (1)
Symmetrie
0m 1m 1m
gt1
1l
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Symmetrie
Orbitalformen (2)
2m 1m 1m
gt2
2l
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Symmetrie
Orbitalformen (3)
2m 0m
ge
2l
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Bindung in Richtung des Abstandsvektors
Bindung senkrecht zum Abstandsvektor:
in Cl2
Eine und eine Bindung gibt es z. B. in N2
Folge: Anisotrope Bindung
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Haupt-quantenzahl
Drehimpuls- oder Nebenquantenzahl
Orientie-rungs-Quanten-zahl
Max. Zahl der Zustände
Form derOrbitale
N SchaleSchale, Orbital
TypSpin
1 K 0 s 0 2
2 L
0 s 0 2
1 p
-1
60
1
Beispiel: Orbitale im Neon
1N0 l lml
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Quarz (SiO2) - Kristall
a
b
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Quarz (SiO2) - Kristall
Nur in kristalliner Materie gibt es „Translationssymmetrie“: Es gibt eine „Elementarzelle“, deren Kopien bei Verschiebung um ganzzahlige Vielfache der „Translationsvektoren“ den Kristall aufbauen
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Versuch
• Demo des 2 dim Gitters
• Kristallmodelle
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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• Kovalente Bindungen am Kohlenstoff und im
Wasser sind wichtig für Aufbau und Funktion organischer Materie
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Finis