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Bindungslänge und Bindungsenergie 09:46 min

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Transkript Bindungslänge und Bindungsenergie

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Bindungslängen und Bindungsenergie. Als Vorkenntnisse solltet ihr klare Vorstellungen über die Atombindung und über Moleküle mitbringen. In diesem Video möchte ich euch die Begriffe Bindungslänge und Bindungsenergie erklären. Ich möchte euch über die Begrifflichkeit Klarheit verschaffen. Außerdem möchte ich euch die dazugehörigen Richtgrößen nennen. Außerdem möchte ich euch den Zusammenhang zwischen der Bindungslänge und einer euch bereits bekannten Größe veranschaulichen. Das Video habe ich in 6 Abschnitte unterteilt: 1. Bindungslänge 2. Bindungsenergie 3. einige Beispiele 4. Richtgrößen 5. Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen 6. Zusammenfassung 1. Bindungslänge. Die Bindungslänge ist einer der wichtigsten Begriffe der Strukturchemie. Sie ist eng verknüpft mit dem Begriff der Atombindung. Nehmen wir an, wir haben 2 Atome, zwischen denen eine Atombindung ausgebildet wurde, und wir betrachten nun die Atomkerne dieser Atome. Für uns ist nun der Abstand zwischen den Zentren der beiden Atomkerne interessant. Wir wissen, dass Atomkerne im Vergleich zum Atom sehr klein sind. Daher können wir die Atomkerne getrost als Punkte betrachten. Der Abstand zwischen den beiden Atomkernen wird als Bindungslänge bezeichnet. Wenn wir als Atome jeweils ein Kohlenstoffatom haben, so beträgt der Abstand zwischen beiden Atomen 153 Pikometer. Somit habe ich schon eine gängige Einheit für eine Bindungslänge genannt, nämlich das Pikometer. Eine weitere gängige Einheit ist das Nanometer. Zur Erinnerung: 1 Pikometer sind 10^-12 m und 1 Nanometer sind 10^-9 m. Demzufolge ist der Abstand zwischen beiden Kohlenstoffatomen 0,153 Nanometer. Die Einheit Angström wird in der amerikanischen Literatur noch gerne benutzt. Der Abstand zwischen beiden Kohlenstoffatomen beträgt 1,53 Angström. Praktisch alle chemischen Bindungen liegen im Bereich von 0,07-0,3 Nanometer, das entspricht 70-300 Pikometer. Bindungslängen kann man sowohl experimentell als auch rechnerisch-theoretisch bestimmen. Ein wichtiges Verfahren für die Bestimmung von Bindungslängen ist die Röntgenstrukturanalyse, die immer dann eingesetzt wird, wenn man über Feststoffe verfügt. Alternativ dazu können Bindungslängen aus Schwingungsspektren gewonnen werden. In immer stärkerem Maße werden die Bindungslängen durch quantenchemische Rechnungen gewonnen. Dabei wird die Schrödingergleichung auf einem möglichst hohem Niveau gelöst.  2. Bindungsenergie. Die Bindungsenergie hatte noch andere alternative Bezeichnungen, eine der wichtigsten ist der Begriff Dissoziationsenergie. Ein Chlormolekül kann durch die Zufuhr einer bestimmten Energiemenge in die beiden Chlorradikale zerfallen. Diese Reaktion wird als homolytische Dissoziation bezeichnet. Die Bindungsenergie trägt genauer die Bezeichnung Bindungsenthalpie. Es ist jene Enthalpie, die notwendig ist, damit 1 mol des Chlormoleküls in die entsprechenden Chlorradikale zerfällt. Und das sind 242 Kilojoule pro mol. Somit ist die Bindungsenergie jene Energie, die benötigt wird, um eine kovalente Bindung homolytisch zu spalten. Bei diesem Prozess entstehen Radikale, keine Ionen. 3. Einige Beispiele. Ich möchte einige wichtige Beispiele für Bindungslängen und die entsprechenden Bindungsenergien anführen. Dafür habe ich einige Moleküle ausgewählt, für die die Bindungslängen und Bindungsenergien mit recht guter Genauigkeit bestimmt wurden. Die Moleküle sind: H2 - Wasserstoff, H2O - Wasser, NH3 - Ammoniak und CH4 - Methan. Die entsprechenden Bindungen sind H-H, O-H, N-H und C-H. Für die einzelnen Bindungen wurden folgende Bindungslängen gemessen: 0,074 nm, 0,096 nm, 0,100 nm und 0,107 nm. Alle Bindungsenergien bewegen sich im Bereich von etwa 400 kJ/mol. H-H: 436 Kilojoule pro mol, O-H: 463 Kilojoule pro mol, N-H: 391 Kilojoule pro mol und C-H: 413 Kilojoule pro mol. Man sieht sehr leicht, dass eine scheinbar umgekehrte Korrelation mit den Bindungslängen nicht stattfindet. Offensichtlich spielen noch andere Größen hier eine Rolle. 4. Richtgrößen Es gibt sehr viele chemische Moleküle und daher auch eine Vielzahl chemischer Bindungen. Daher gibt es auch eine große Anzahl verschiedener Bindungslängen. Wenn wir uns an den vorigen Abschnitt erinnern, so können wir folgendes formulieren: Als Richtgröße für die Bindungslänge kann der Wert 100 Pikometer gleich 0,1 Nanometer und für die Bindungsenergie der Wert 400 Kilojoule pro mol dienen. Es ist anzumerken, dass bei den Mehrfachbindungen diese einfachen Regeln nicht mehr so gelten. Bei den Energien zum Beispiel sind höhere Werte zu erwarten. 5. Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen. Wir wollen in diesem letzten Abschnitt die Bindungslänge zwischen 2 Kohlenstoffatomen gegen die Bindigkeit abtragen. Die Bindungslängen liegen im Bereich von etwa 120 bis etwas über 150 Pikometer. Die Bindigkeiten überstreichen einen Bereich von 1 bis 3. Bei einer Bindigkeit von 1 wird eine Bindungslänge von 153 Pikometer beobachtet, bei einer Bindigkeit von 2 von 132 Pikometer und schließlich bei einer Bindigkeit von 3, von 120 Pikometer. Die entsprechende Kurve zeigt eine leichte Krümmung. Wir erinnern uns: Bindigkeit 1 entspricht einer Einfachbindung, wie wir sie bei den Alkanen kennen. Bindigkeit 2 entspricht einer Doppelbindung, wie wir sie bei den Alkenen kennen. Bindigkeit 3 entspricht einer Dreifachbindung, wie wir sie bei den Alkinen kennen. Die Bindungslänge im Benzolmolekül beträgt 139 Pikometer. Der Schnittpunkt mit der Kurve ergibt eine Bindigkeit von 1,67. Das ist exakt der Wert den Dewar bestimmt hat. Wir konstatieren: Die Bindungslänge verhält sich umgekehrt zur Bindigkeit. 6. Zusammenfassung Die Bindungslänge zwischen 2 Atomen ist der Abstand zwischen ihren Atomkernen. Die Einheiten sind Nanometer, Pikometer, Angström. Die kleinste Bindungslänge findet man im Wasserstoffatom von 74 Pikometer, es sind auch längere Bindungslängen bekannt, bis etwa 300 Pikometer. Als Richtgröße für Bindungslängen kann man sich merken: 100 Pikometer. Wenn ein Molekül wie das Chlormolekül zu den entsprechenden Radikalen zerfällt, erhält man eine weitere wichtige Größe. Man benötigt für diese homolytische Reaktion 242 Kilojoule pro mol. Dabei handelt es sich um die Bindungsenergie. Als Richtgröße wollen wir uns 400 Kilojoule pro mol merken. Bindungslänge und Bindungsenergie können durch verschiedene Verfahren bestimmt werden. Ein experimentelles Verfahren ist die Röntgenbeugung, auch Röntgenstrukturanalyse genannt. Außerdem kann man diese Größen aus Schwingungsspektren gewinnen. Theroetisch-rechnerisch sind Bindungsenergie und Bindungslänge durch Lösen der Schrödingergleichung zugänglich. Diese Verfahren bezeichnet man als quantenchemisches Rechnen. Bei gleichen Atomen steht die Bindungslänge im umgekehrten Verhältnis zur Bindigkeit. So fällt die Bindungslänge zwischen 2 Kohlenstoffatomen von der Einfach- über die Doppelbindung zur Dreifachbindung. Die Bindungslänge im Benzolmolekül liegt zwischen der der Einfach- und Doppelbindung. Somit ist die Bindungslänge, roh gesprochen, etwa umgekehrt proportional zur Bindigkeit - gleiche beteiligte Atome vorausgesetzt.  Ich danke für die Aufmerksamkeit und wünsche alles Gute. Auf Wiedersehen.

2 Kommentare
  1. @Omsifian,
    man kann die Bindungsenergien auch relativ aufwendig berechnen, jedoch werden sie meist per Messung bestimmt. Es gibt daher Tabellen mit relativ genauen Werten für die Bindungsenergien und auch die Bindungslängen für jede einzelne Bindungsart.

    Von Karsten S., vor mehr als einem Jahr
  2. Ein tolles Viedeo,
    Kann man diese Bindungsenergie denn auch berechnen oder wie bekommt man die raus?

    Von Omsifian, vor mehr als einem Jahr

Bindungslänge und Bindungsenergie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Bindungslänge und Bindungsenergie kannst du es wiederholen und üben.

  • Definiere den Begriff Bindungsenergie.

    Tipps

    Woraus besteht eine Bindung?

    Lösung

    Atome gehen Bindungen ein, wenn es für sie einen energetischen Vorteil bringt. Dabei gehen ihre Valenzelektronen, also die Elektronen auf der Außenschale, die Bindungen ein. Jedes Atom steuert genau ein Elektron zur Bindung bei. Eine Bindung besteht demnach aus zwei Elektronen.

    Die Bindungsenergie ist nun also die Energie, die benötigt wird, um diese Bindung homolytisch zu trennen. Homolytisch bedeutet, dass sie „in der Mitte“ geteilt wird, also jedes beteiligte Atom wieder sein einzelnes Elektron erhält. Dieses einzelne Elektron macht die Chloratome zu Radikalen.

  • Bestimme die Bindungslänge in folgenden Molekülen.

    Tipps

    Bei größeren Atomradien nimmt auch die Bindungslänge zu.

    Kohlenstoff hat den größten Atomradius unter den gegebenen Beispielen.

    Lösung

    Die Bindungslänge gibt den Abstand zwischen zwei Atomen in einem Molekül an. Wenn der Atomradius der beteiligten Atome nun sehr groß ist, muss auch die Bindungslänge (wenn Einfachbindungen verglichen werden) größer werden. Die Atomradien in pm:

    • $H$: 37
    • $O$: 66
    • $N$: 70
    • $C$: 77
    Es ist hier erkennbar, dass die Atomradien innerhalb einer Periode von links nach rechts fallen.

    Da die Atome in den Beispielen immer eine Einfachbindung zu Wasserstoff eingehen, lässt sich also schon durch die Größe der Atome eine gewisse Abschätzung der Bindungslängen machen.

  • Rechne die angegebenen Längen um.

    Tipps
    • $1~pm = 10^{-12}~m$
    • $1~Å = 10^{-10}~m$
    • $1~nm = 10^{-9}~m$
    Lösung

    Die Bindungslängen in Molekülen werden meist in pm angegeben. Aber auch Angaben in nm oder Å sind üblich. Es ist daher wichtig, die Größenordnungen zu kennen und die Einheiten ineinander umrechnen zu können. Ein Nanometer ist dabei 1000 mal so groß wie ein Pikometer. Sie verhalten sich also zueinander wie Meter und Millimeter. Ein Millimeter ist wiederum 1.000.000 mal größer als ein Nanometer. Die Bindungslängen liegen etwa in einem Bereich von 0,15 nm. Damit wird klar, wie unvorstellbar klein Moleküle und die darin vorhandenen Bindungslängen sind.

    Damit man nicht immer mit so großen Zahlen jonglieren muss, werden die Umrechnungen oft mit Zehnerpotenzen ausgedrückt.

    • $1~pm = 10^{-12}~m$
    • $1~Å = 10^{-10}~m$
    • $1~nm = 10^{-9}~m$

  • Gib die C–C-Bindungslängen in folgenden Kohlenstoffverbindungen an.

    Tipps

    Die Bindigkeit ist indirekt proportional zur Bindungslänge.

    Lösung

    Je mehr Bindungen sich zwischen zwei Atomen ausbilden, desto kürzer wird auch ihr Abstand. Wenn die Bindigkeit also größer wird, wird die Bindungslänge kleiner.

    Im Ethanmolekül liegt eine Einfachbindung zwischen den Atomen vor. Die Bindungslänge beträgt 153 pm. Im Ethen liegt eine Doppelbindung vor, das lässt sich auch an der Bindungslänge erkennen, die mit 132 pm deutlich kürzer ist. Im Ethin beträgt die Bindungslänge durch die Dreifachbindung dann nur noch 120 pm.

    Im Diamant (siehe Abbildung) ist Kohlenstoff tetraedrisch von weiteren Kohlenstoffatomen umgeben und es bildet sich ein sogenannter Adamantan-Käfig. Im Diamant ist die Bindungslänge zwischen den Kohlenstoffatomen mit 153 pm genauso lang wie im Ethan .

  • Erkläre, wie sich Bindungslänge und Bindigkeit zueinander verhalten.

    Tipps

    $Bindungslänge \approx \frac {1}{Bindigkeit} $

    Lösung

    Je mehr Bindungen sich zwischen zwei Atomen ausbilden, desto näher rücken sie zusammen. Wird also die Bindigkeit erhöht, bilden sich Doppelbindungen oder Dreifachbindungen, dann wird die Bindungslänge zwischen den beiden Atomen immer kürzer.

  • Bestimme die korrekte Strukturformel zu folgenden Daten.

    Tipps

    Aus wie vielen C-Atomen besteht das Molekül?

    Es ist egal, von welcher Seite aus die Kohlenstoffatome nummeriert werden.

    Lösung

    Das gesuchte Molekül ist das But-1-en.

    Es sind vier Kohlenstoffatome gegeben. Die ersten beiden Bindungslängen liegen im Bereich einer Einfachbindung. Die letzte Bindung liegt mit 133 pm im Bereich einer C–C-Doppelbindung. Damit handelt es sich also um ein Buten. Die Doppelbindung ist endständig, also ist es ein But-1-en. Es ist dabei egal, von welcher Seite aus das Molekül betrachtet wird, da es gedreht werden kann.