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Transkript Wechselwirkungen zwischen Molekülen

Herzlich willkommen, zu dem Thema Wechselwirkungen zwischen Molekülen. Es geht in diesem Video im wesentlichen um die Beantwortung der Frage , was die Moleküle überhaupt zusammenhält. Es geht nicht darum, was die Atome in einem Molekül zusammenhält, sondern wirklich darum, was Moleküle zusammenhält. Anders ausgedrückt, warum gibt es überhaupt verschiedene Aggregatzustände? Da müssen ja irgendwelche Kräfte zwischen den verschiedenen Molekülen existieren, und die sind mal stärker, mal schwächer, und so ist es dann zu erklären, dass bei einer bestimmten Temperatur manche Stoffe im festen Zustand, manche im flüssigen Zustand und andere im gasförmigen Zustand vorliegen. Wir wollen uns diese 3 Arten der Wechselwirkung anschauen. Das wäre 1. die Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Dann im Anschluss die Van-der-Waals-Wechselwirkung, und zu guter letzt schauen wir uns noch die Wasserstoffbrückenbindung an. Wir beginnen am Anfang mit den Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung ist im Grunde eine Wechselwirkung zwischen negativen und positiven Polen der Dipole. Diese Wechselwirkungen sind elektrostatischer Natur. Wir nehmen ein ganz einfaches schematisches Molekül, bestehend aus Bindungspartner A und Bindungspartner B. Wir sagen, der Bindungspartner B habe die höhere Elektronegativität. Zwischen A und B existiert eine kovalente Bindung. Wir hatten gesagt B hat die höhere Elektronegativität. Das bedeutet, diese Bindung wird polarisiert. Elektronegativität das ist ein Maß für die Fähigkeit des Atoms, die Bindungselektronen an sich zu ziehen. Wenn B also die höhere Elektronegativität hat, dann hat es die höhere Fähigkeit, das größere Bestreben, die Bindungselektronen an sich zu ziehen. Das können wir jetzt verdeutlichen, indem wir uns die Elektronendichte anschauen. Wenn die Elektronen von B stärker angezogen werden, dann ist diese Bindung polarisiert und dann könnte die Elektronendichteverteilung in etwa so ausschauen. Also an B einfach dicker als an A bedeutet, die Wahrscheinlichkeit Elektronen anzutreffen ist in der Nähe von B größer als in der Nähe von A. Das können wir auch noch etwas anders ausdrücken. Das bedeutet, diese Bindung wird polarisiert. Das geschieht eben durch dieses Zeichen hier. Und da das Molekül immer elektrisch neutral ist, bedeutet das, dass wir dann an A eine positive Partialladung haben. Und jetzt haben wir schon eine Verbindung, an der wir 2 Pole haben, einen negativen Pol und einen positiven Pol. Also einen sogenannten Dipol. Jetzt steckt ja schon im Namen Dipol-Dipol die Annahme, dass mehrere Moleküle davon existieren müssen, sonst würde das ganze auch keinen Sinn machen. Und wir schauen uns mal an, wie sich Moleküle dieser Art orientieren oder anordnen würden. Wenn wir dieses Molekül jetzt einfach mal so betrachten. Seht, ich schreibe bloß keine Bindungspartner mehr rein, sondern trage nur noch die Ladung ein. Wir haben dann hier die negative Ladung und hier die positive Ladung. Wie wird sich nun das nächste, gleichartige Molekül orientieren? Das Molekül können wir schon einzeichnen. Das wird auch wieder so ausschauen. Und die Kräfte sind, wie gesagt, elektrostatischer Natur, also gegensätzliche Ladungen ziehen sich an. Das bedeutet, beim nächsten Molekül wird die positive Ladung da sitzen, also direkt umgekehrt. Die negativen Ladungen würden sich abstoßen, und das ist energetisch nicht wirklich günstig. Dann gehen wir mal weiter. Dann schauen wir uns an, wenn noch 2 weitere Moleküle dieser Art hier herumschwirren. Dann würde in diesem Molekül die positive Ladung hier sitzen. Das würde sich also so orientieren. An dieser Stelle würde dann eine negative Ladung sein. Es ist auch wieder alles elektrisch neutral. Es geht nur darum, wie die Dinger sich ausrichten. Wenn hier die positive Ladung ist, dann ist es im Grunde nur umgekehrt zu oben. Das bedeutet hier die negative Ladung und dort die positive Ladung. Ihr sehr also, dass sich bei Dipol-Dipol-Wechselwirkungen die Moleküle wie in einem Kristall anordnen werden. Also immer positive und negative Ladungen abwechselnd. Das ist der energetisch günstigste Zustand, und demzufolge werden die Moleküle bestrebt sein, diesen Zustand auch anzunehmen. Wie stark die Wechselwirkung dann selbst ist, hängt davon ab, wie hoch hier die Ladungen sind, wie hoch hier das permanente Dipolmoment ist. Es geht hier um eine dauerhafte Erscheinung und deswegen nennt man das Ganze auch ein permanentes Dipolmoment. Wichtig in dem Fall ist, dass das Dipolmoment permanent ist. Es ist immer vorhanden, weil es nur auf den Unterschieden der Bindungspartner beruht. Es liegt im Grunde in der Natur der Bindungspartner. Das war jetzt der einfachste Fall. Wir hatten die schematische Verbindung A und B, die linear sein sollte, und die Struktur spielt da natürlich auch eine Rolle. Wenn wir beispielsweise einmal Ammoniak betrachten, da müssen wir erkennen, dass Ammoniak, wenn man das freie Elektronenpaar mitbetrachtet, eine Art Tetraederstruktur hat. Das bedeutet also, wir können Ammoniak so aufzeichnen. Das ist jetzt nicht ganz exakt. Wir haben hier die 3 Bindungen zu den Wasserstoffen, und wir haben noch ein freies Elektronenpaar, das hier irgendwo sitzt. Wie gesagt, das ist hier nur eine schematische Darstellung, nicht nachmachen! Es geht bloß darum, dass ich hier verdeutlichen möchte, dass auch hier permanente Dipolmomente existieren. Das hängt damit zusammen, das Stickstoff hier in dieser Verbindung der elektronegativere Partner ist. Deswegen sind alle Bindungen zum Stickstoff schon mal polarisiert bzw. die negative Ladung wird sich eher am Stickstoff aufhalten. Also auch wieder ein Dipol, 2 Pole, einmal negativ am Stickstoff und positiv, wo die Wasserstoffe sind. Also wieder ein permanentes Dipolmoment. Die werden sich demzufolge dann auch wieder anordnen. Es existieren auf jeden Fall Wechselwirkungen. Betrachten wir das Molekül Methan, CH4, einmal dreidimensional. Das ist auch wieder eine Tetraederstruktur. Also jede CH-Bindung hat irgendwo einen Dipolmoment. Diese Bindungen sind aber so angeordnet, dass sie den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen und daraus resultiert dann auch, dass sich die Dipolmomente hier gegenseitig aufheben. Es gibt also ein Gesamtdipolmoment von 0. Also es existiert kein permanenter Dipol. Aber auch für Methan existieren Aggregatzustände und das bedeutet, da muss es noch etwas anderes geben. Und damit sind wir auch schon beim zweiten Punkt. Der zweite Punkt, das waren die Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Was dahinter steckt das sind Londonkräfte. So werden sie auch manchmal bezeichnet. Es existieren da nicht so ganz einheitliche Beschreibungen. Ich probiere, alle Begriffe zu nennen, die vielleicht irgendwo vorkommen, und ich hoffe, dass das funktioniert. Wir hatten vorhin gesehen, dass bei den Dipol-Dipol-Wechselwirkungen permanente Dipolmomente das wichtigste sind. In diesem Fall handelt es sich um sogenannte momentane Dipolmomente. Also es handelt sich um momentane Dipole oder anders ausgedrückt, es handelt sich um induzierte Dipole. Also die Dipole sind momentan oder induziert. Das bedeutet im wesentlichen, dass diese Dipolmomente immer nur für kurze Zeit im Grunde existieren. Und diese Dipolmomente in einem Molekül oder einem Atom werden im Grunde durch den Nachbarn hervorgerufen. Wir schauen ganz einfach an. Egal ob Verbindung oder Atom, wir wissen auf jeden Fall, wenn wir auf ein Molekül draufschauen, solange wir nicht direkt auf den Wasserstoff schauen, werden wir immer auf irgendwelche Valenzelektronen oder generell auf Elektronen blicken und nicht auf die Atomkerne. Das bedeutet, wir haben um jedes Zentrum eine Elektronenwolke. Diese Elektronen bewegen sich ja nun auch die ganze Zeit. Und immer wenn sich Ladungsträger irgendwo bewegen, dann induziert das in der unmittelbaren Umgebung auch wieder eine Gegenkraft. Also wenn sich dieses Elektron hier aufhalten wird, also den Ladungsschwerpunkt hat, dann wird dies dazu führen, dass das sich Elektron vielleicht hier bewegen möchte oder abgestoßen wird. Das bedeutet, das Elektron wird sich für den Moment zumindest wegbewegen. Und aufgrund dieser permanenten Elektronenbewegung kommt es permanent zu irgendwelchen, induzierten Dipolen. Und das ist eigentlich in allen Verbindungen so. Das sind auch schon die Van-der Waals-Wechselwirkungen. Und das ist auch der Grund, warum für Stoffe, für die kein permanenter Dipol besteht, überhaupt Aggregatzustände möglich sind. Also für Van-der Waals-Wechselwirkungen ist die Elektronenbewegung in der Hülle der Atome oder Moleküle verantwortlich. Eben weil sie mit den Nachbarelektronenhüllen wechselwirken und auch wieder elektrostatisch wechselwirken. Das soll es auch zu den Van-der-Waals-Wechselwirkungen gewesen sein. Wichtig ist eigentlich nur, dass sie induziert sind und aufgrund der Elektronenbewegung zustandekommen. Wir sind demzufolge auch schon beim letzten Punkt, nämlich bei den Wasserstoffbrückenbindungen. Auf diese will ich auch nur ganz kurz eingehen. Man könnte hier ziemlich lange Abhandlungen halten, würde jetzt aber den Rahmen des Videos sprengen. und ich denke, der Aufmerksamkeit würde das auch nicht unbedingt zuträglich sein. Wir beginnen damit, dass wir uns anschauen, welche Moleküle überhaupt in der Lage sind, Wasserstoffbrückenbindung auszubilden oder was Wasserstoffbrückenbindungen überhaupt sind. Wie der Name schon sagt, da ist irgendwo ein Wasserstoff und der fungiert als Brücke. Dieser Wasserstoff ist nun mit irgendeinem anderen Atom oder Element verbunden. Wir nehmen jetzt einfach mal Fluor. Also Fluor, da tragen wir auch noch die freien Elektronenpaare ein, das schaut so aus. Wie gesagt, es geht ja wieder darum, dass hier irgendwelche Moleküle miteinander wechselwirken. Demzufolge sind da also mindestens 2 notwendig. Und wir setzen diese beiden hier einfach mal so nebeneinander. Ausschlaggebend hierfür ist auch wieder die Elektronegativität. Also Voraussetzung für Wasserstoffbrückenbindung ist ein elektronegativer Bindungspartner, ein sehr elektronegativer Bindungspartner und freie Elektronenpaare. Das liegt hier in dieser Verbindung vor. Fluor ist ein sehr elektronegatives Element mit einer Elektronegativität von 4,0 und Wasserstoff 2,1, und demzufolge wird diese Bindung hier auch wieder polarisiert. Bei beiden natürlich. Und es wird hier mit Fluor auf jeden Fall dazu kommen, dass dieser Wasserstoff nahezu als freies Proton vorkommt, hier also eine relativ große positive Ladung sitzt. Ich male sie als Partialladung ein. Während wir hier am Fluor umgekehrt eine negative Partialladung einsetzen, wie auch hier in diesem Molekül. Hier ist eine positive Ladung, hier eine negative Partialladung und es sind freie Elektronenpaare. Diese Elektronenwolke, diese Elektronenpaare, je nachdem wie man es auffassen will, sind polarisierbar. Das bedeutet, die können auch wieder irgendwelche Bindungen  ausbilden. Wir könnten diese Bindung formal als F- und H+ betrachten. Und dieses Fluorid-Ion kann natürlich auch irgendwelche Bindungen ausbilden. Es wird dann hier in diesem Fall zu einer Ausbildung einer Bindung kommen, wegen der Wasserstoffbrückenbindung. Das schaut dann so aus. Dieses Elektronenpaar hier, um es optisch korrekt zu machen, wird sich zum Proton irgendwie orientieren. Und die werden sich gegenseitig irgendwie anziehen und demzufolge das Ganze auch irgendwie stabilisieren. So kommt es also, wenn man eine große Menge HF hat, dazu, dass sich alle Moleküle dann irgendwie ordnen werden. Was können wir jetzt noch dazu sagen, ohne zu sehr ins Detail gehen zu wollen?  Wir können auf jeden Fall noch sagen, dass Wasserstoffbrückenbindungen dafür verantwortlich sind, dass bei irgendwelchen Stoffen gleicher Molmasse die Siede- und Schmelzpunkte erheblich erhöht werden. Das soll im Grunde einfach nur bedeuten, wenn wir einen Alkohol und ein vergleichbares Alkan betrachten, vergleichbar soll einfach nur bedeuten, dass es von der Molmasse vergleichbar ist, dann wird der Alkohol den höheren Siedepunkt haben. Das ist deswegen, weil hier die Hydroxygruppe vorhanden ist ,und hier steckt der Sauerstoff drin, und auch Sauerstoff hat freie Elektronenpaare. Er ist relativ elektronegativ und natürlich in der Lage, mit anderen Alkoholmolekülen Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden. Dann entstehen noch stärkere Kräfte zwischen den Molekülen, und das bewirkt die Erhöhung der Siede- und Schmelzpunkte. Aus diesem Grund hat zum Beispiel auch Wasser mit einer relativen geringen Atommasse von 18 g je Mol einen verdammt hohen Siedepunkt. Zu guter letzt noch die Elemente, die in der Schule meist für Wasserstoffbrückenbindungen herangezogen werden. Die will ich nur ganz kurz nennen. Wir haben hier schon gesehen, dass der Sauerstoff hierzu in der Lage ist. Also die Grundprinzipien hatte ich ja schon genannt, aber es gibt so Faustregeln und das sind die sogenannten O / N / F - Stoffe. Es geht darum, wenn Sauerstoff enthalten ist, dann ist der Stoff in der Lage, Wasserstoffbrücken auszubilden. Wenn Stickstoff oder Sauerstoff in einer Verbindung enthalten ist, werden Wasserstoffbrücken ausgebildet. Auch beim Fluor ist es genau dasselbe. Diese Wasserstoffbrückenbindungen sind dann letztendlich auch zum Beispiel nicht nur für irgendwelche Schmelz- und Siedepunkte verantwortlich, sondern auch für die Strukturbildung von Proteinen. Also die Doppelhelixstruktur der DNA ist unter anderem auf Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen. Weil sich die Kette dann so ordnen wird, dass viele positive Wechselwirkungen irgendwo vorhanden sind und das geschieht dann eben auch durch Wasserstoffbrückenbindungen.  War relativ lang, soll es auch erst mal gewesen sein. Auf Wiedersehen.    

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14 Kommentare
  1. Default

    Was du meinst, ist der Abstand der Moleküle. Zu den Aggregatzuständen und Übergängen gibts hier ein Video:

    http://www.sofatutor.com/chemie/videos/die-aggregatzustaende-im-teilchenmodell

    Von Alex S, vor mehr als 2 Jahren
  2. Rtzdfhfgh

    Mir ist noch eine Frage eingefallen :)
    Wenn ein Stoff siedet, ist es dann so dass die Abstände zwischen den Elektronen und dem Kern sich vergrössert? Oder die Moleküle sich ausbreiten? Irgendwas passierte doch mit dem Abstand oder?
    Und die Elektronen fangen an sich zu bewegen oder verwechsle ich da was? :/

    Von Luggiii, vor mehr als 2 Jahren
  3. Rtzdfhfgh

    Verstehe, gutes Beispiel!
    Also danke noch ein Mal :)
    (Die Videos machen süchtig)

    Von Luggiii, vor mehr als 2 Jahren
  4. Default

    Kann man so sagen, ja.
    Daher liegt zB. der Siedepunkt von Wasser auch über dem des Ethanols, welches ja eigentlich eine höhere Molmasse hat: Wasser kann 2 H-Brücken ausbilden, Ethanol nur eine.

    Man muss natürlich aufpassen, dass die anderen Wechselwirkungen etwa "in der gleichen Liga" sind, sonst vergleicht man Äpfel mit Birnen - ein Stoff mit einer Molmasse von 10.000 und nur einer Hydroxyfunktion wird trotzdem einen höheren Sdp haben, als der mit 100er Molmasse und 2 Hydroxyfunktionen.

    Von Alex S, vor mehr als 2 Jahren
  5. Rtzdfhfgh

    Super Video!
    Danke!
    Ist es so dass je mehr Wasserstoffbrückenbindungen ich habe, um so höher wird der Siedepunkt?
    Viele Grüße
    Lukas

    Von Luggiii, vor mehr als 2 Jahren
  1. Default

    Sehr schön erklärt! Jetzt habe ich das mit den Wechselwirkungen endlich verstanden!!

    Von Reiter Weiden, vor fast 3 Jahren
  2. Default

    Sehr schön erklärt! Jetzt habe ich das mit den Wechselwirkungen endlich verstanden!!

    Von Reiter Weiden, vor fast 3 Jahren
  3. Default

    Passt...guade sach

    Von Dietmaier, vor etwa 3 Jahren
  4. Default

    Also können Wasserstoffbrückenbindungen nur bei O N F entstehen?

    Von Mbobaj, vor etwa 3 Jahren
  5. 394184 473949169302497 255051534 n

    Perfekt erklärt! Meine Rettung im wahrsten Sinne des Wortes! :))

    Von Aylin Ferati, vor mehr als 3 Jahren
  6. Default

    sehr gut erklärt danke ;) vllt nicht so viele Hintergrundgeräusche entfernen; es plätschert schon sehr. Aber egal ;) Hast mir geholfen Danke

    Von Luca G., vor mehr als 3 Jahren
  7. Default

    sag bitte nicht so oft "GUT"

    Von Redina Fejza, vor mehr als 4 Jahren
  8. Default

    gut erklärt, aber du sagst eindeutig zu oft "guuut"
    das lenkt ein wenig ab

    Von Samael, vor mehr als 5 Jahren
  9. Lilien

    Sehr gut erklärt!!! Danke.

    Von Honey 88, vor etwa 6 Jahren
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