2.3.2 Mesomerie, Koordinative Bindung, Metallbindung
 

Mesomerie

Manche Moleküle besitzen eine besondere Elektronenverteilung, bei der man die Elektronen nicht eindeutig einem Atom oder einer Atomgruppe zuordnen kann.

Betrachtet man z.B. Die Salpetersäure HNO3, das Nitrat-Ion oder Nitromethan, so hat man am Stickstoffatom eine wechselnde Elektronenkonfiguration. Das freie Elektronenpaar wird benutzt, um die Bindungen zum Sauerstoff möglich zu machen. Daraus ergibt sich lokal eine Ladung. Die Bindung zu den beiden Sauerstoffatomen wechselt laufend hin und her. Eine Bindungsmöglichkeit ist links dargestellt.

Beim Nitromethan unten sieht man beide Extremzustände. Diese nennt man Grenzstrukturen. Der Realzustand liegt in der Mitte (Überlagerung der beiden Zustände). Die Fähigkeit der Elektronen, sich über mehrere Atome zu verteilen, wobei Grenzstrukturen existieren, nennt man Delokalisierung. Der Zustand wird Mesomerie oder Resonanz genannt.

Solche Mesomerie findet man bei organischen Stoffen mit abwechselnden Doppelbindungen wie Benzol oder Farbstoffen.

Koordinative Bindung (= Komplexbindung)

Die Koordinative Bindung wird auch als spezielle kovalente Bindung bezeichnet. Sie entsteht durch Besetzung ungefüllter Zentralatom- Orbitale mit Elektronenpaaren der Liganden. Die räumliche Anordnung wird durch den Hybridisierungstyp des Zentralatoms bestimmt. Es wird Edelgaskonfiguration angestrebt. Dabei entstehen sogenannte Komplexe.

z.B. [Cr(NH3)6]3+ = Hexaaminchrom(III)-Komplex (gelb)

Ein Komplex ist eine Verbindung mit mindestens einer koordinativen Bindung. Bei einer koordinativen Bindung kommen die Bindungselektronen von einem Bindungspartner. In der Regel liefern die Liganden die benötigten Elektronen. Ein Komplex ist aus einem Zentralteilchen (Atom oder Ion) sowie einem oder mehreren Liganden (neutral oder ionisch) aufgebaut. Die Anzahl der gebundenen Liganden wird durch die Koordinationszahl wiedergegeben.

Grundsätzlich gibt es alle Koordinationszahlen (KZ), allerdings gibt es einige besonders häufige Koordinationszahlen (KZ):

3D-Animation
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  • KZ 2: linear z.B. Silberverbindungen wie [Ag(NH3)2] +
  • KZ 4: tetraedrisch, z.B. Kupferverbindungen wie [Cu(NH3)4]2+
    planar, vor allem bei d8-Metallen wie Ni 2+
  • KZ 6: oktaedrisch, z.B. Eisen- und Aluminiumverbindungen

    Viele Metallionen (normalerweise der Nebengruppen) bilden Komplexionen mit einer großen Anzahl Anionen und Molekülen. Diese werde in ähnlicher Weise gebildet als die anderen Moleküle: z.B.

    Fe+3(aq) + 6CN-(aq) -> Fe(CN)63-(aq) und
    Cu+2(aq) + 4NH3(aq) -> Cu(NH3)42+(aq)

Die Benennung ist wie folgt:

  1. Kationen werden vor Anionen genannt
  2. Innerhalb des Komplexes werden die Liganden in alphabetischer Reihenfolge genannt z.B. Tetraaminchlorokobalt(II)-Komplex.
    H2O als Ligand wird aqua genannt, NH3 wird als amin bezeichnet.
  3. Das gesamte Ion wird in eckige Klammern gesetzt.

Viele Metallionen existieren als Wasserkomplexe in wässriger Lösung. Zum Beispiel Cu2+ kommt in Wasser nicht als alleiniges Ion vor sondern als [Cu(H2O)6]2+ Ion. (HexaaquaKupfer (II)-Komplex)

Solche Komplexe besitzen jeweils ein typisches Lichtabsorptions- und Emissionsverhalten wie rechts an den beiden Cu2+-Lösungen zu sehen ist.

Metallbindung

Die Metallbindung soll hier nur kurz erwähnt werden. Metalle als Elemente, die wenige Außenelektronen haben, verbinden sich durch die Metallbindung untereinander. Solche Metallatome wie Na, Al, Mg usw. besitzen eine niedrige Elektronegativität mit wenigen Valenzelektronen, deshalb gibt es viele Varianten bezüglich der Außenschale.

Wenn sich die Atomorbitale der Metallatome überlappen, können die Elektronen in die Orbitale der benachbarten Atome eindringen. In diesem dichten Atomgitter sind die Metallatomrümpfe von mehreren Elektronen umgeben, die frei beweglich sind (= delokalisierte Elektronen = "Elektronengas"). Dies erzeugt Anziehungskräfte, die die Metallatome im Metallgitter zusammenhalten.

Typische Metallgitter sind:
das FCC-Gitter bei Al, Ca, Ni, Cu, Sr, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Pb, Ce, Yt
das BCC-Gitter bei Na, K, V, Cr, Fe, Rb, Nb, Mo, Cs, Ba, Eu, Ta, W

und das HCP-Gitter bei Be, Mg, Ti, Co, Zn, Y, Zr, Tc, Ru, Cd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Hf, Re, Os, Th.

FCC-Gitter (z.B. Al)
BCC-Gitter (z.B. Na)
HCP-Gitter (z.B. Mg)

Metalle leiten ja bekanntlich den Strom, die Wärme und lassen sich leicht verformen. Die Wärmeleitfähigkeit ergibt sich aus der dichten Packung, die Stromleitfähigkeit wegen der beweglichen Elektronen und die Verformbarkeit durch die Verschiebung der Gitterschichten.

Zusammenfassung Bindungen

In der Chemie unterscheidet man prinzipiell 3 Möglichkeiten sich zu verbinden:

  • Metalle mit Nichtmetallen --->Ionenbindung
  • Nichtmetalle mit Nichtmetallen ---> Kovalente Bindung
  • Metalle mit Metallen ---> Metallbindung

Die Bindungstypen Atombindung und Ionenbindung sind ideale Grenzfälle, die realen Bindungsverhältnisse liegen oft dazwischen. Schon wenn eine Atombindung zwischen verschiedenen Atomen gebildet wird, liegt das gemeinsame Elektronenpaar näher beim Atom mit der größeren Elektronegativität.

 

Abb.2.3.5
Mesomerie bei HNO3


 

 

Abb.2.3.6
Mesomerie bei Nitromethan

 

 

 

Abb.2.3.7
Delokalisierung

 

 

 

 

 

 

 

Abb.2.3.8
Hexaminchrom-Komplex


 

 

 

 

Abb.2.3.9
wichtige Komplexgeometrie

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb.2.3.10
HexaaquaKupfer (II)-Komplex


 

Abb.2.3.11
Metallbindung

 

 

Abb.2.3.12
Metallgitter

FCC = Face Centered Cubic Struktur

BCC = Body Centered Cubic Struktur

HCP = Hexagonal Close Packed Struktur

 

 

 

 

 

 

Abb.2.3.13
PSE und Bindungen

 

 

 

 

 

 

 

Abb.2.3.14
Bindungen im Vergleich

 

 

 

 

 

Abb.2.3.15
Bindungen im Vergleich
 

 


Weiterführende Quellen:

chemische Bindung:http://www.imsa.edu/~ishmael/bonding/cb/index.html

Kovalente Bindung: http://ac16.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/vorles/skript/kap_4/kap4_1/ und http://chipo.chem.uic.edu/web1/ocol/SB/1-1.htm

Koordinative Bindung: http://www.ilpi.com/organomet/coordnum.html und http://learn.chem.vt.edu/tutorials/complex/index.html und http://www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry/complex/allbottlesmsiedefault.html und http://phoenix.liunet.edu/~nmatsuna/che4/coord/coord.html

Metallbindung: http://users.senet.com.au/~rowanb/chem/chembond.htm und http://www.tomchemie.de/metallbindung.htm und http://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_2/backbone/r2_2_4.html

Atomarchiv: http://www.atomicarchive.com/main.shtml

3D-Molekülarchiv: http://www.nyu.edu/pages/mathmol/library/library.html

Maße: http://home.att.net/~numericana/answer/units.htm