M. Kresken 1

Moleküle,chemische Verbindungen

(Teil 2)

M. Kresken 2

Stoffmenge

• Die Stoffmenge n (mol) lässt sich analog auf Salze und Ionen anwenden.

• Man geht von der Salzformel aus und errechnet die molare Formelmasse.

• 1 mol NaCl entspricht der Summe der relativen Atommassen in Gramm entsprechend der Salzformel: Na (23 g) + Cl (35,5 g) = 58,5 g

• Für 1 mol MgCl2 errechnen sich entsprechend: Mg (24,3 g) + 2 • Cl (2 • 35,5 g) = 95,3 g

+2 -• Umgekehrt lassen sich aus 95,3 g MgCl2 1 mol (24,3 g) Mg

-Ionen und 2 mol (2 • 35,5 g = 71 g) Cl -Ionen freisetzen.

• 1 mol MgCl2 liefert insgesamt 3 • NA Ionen (Avogadro-Konstante)

M. Kresken 3

Stoffmenge

• Nimmt man 12,000 g des Kohlenstoffisotops 12C und dividiert durch die absolute Masse eines C-Atoms (12 • 1,66 • 10-24 g), so erhält man die Anzahl der C-Atome in der vorgegebenen Menge des Kohlenstoffisotops.

6

• Das Ergebnis lautet 6,02 • 1023. • Die Zahl ist ein Naturkonstante und heißt Avogadro-

Konstante NA.

• Von ihr ausgehend wird die Stoffmenge n mit der Bezeichnung Mol (Einheitszeichen mol) definiert.

• Ein Mol eines Elementes enthält 6,02 • 1023 Atome.• Ein Mol einer chemischen Verbindung enthält 6,02 • 1023

Moleküle.

M. Kresken 4

Atombindung

• Bei Nichtmetallen – mit Ausnahme der Edelgase – zeigen die Atome eine starke Tendenz sich so zusammenzulagern, dass jedes Atom ein einzelnes (= ungepaartes) Elektron zu einem gemeinsamen (= bindenden) Elektronenpaar beisteuert.

• Es entsteht eine Atombindung (andere Bezeichnungen: kovalente Bindung, homöopolare Bindung, Elektronenpaarbindung)

• Die an einer Atombindung beteiligten Atome können gleich oder verschieden sein.

• Ein Atom kann mit seinen Valenzelektronen auch zur Bildung mehrerer Einfachbindungen beitragen.

M. Kresken 5

Bindigkeit

• Die Bindigkeit (Valenzzahl) eines Atoms richtet sich nach der Zahl der Elektronen, die durch die Bindungsbildung zu den vorhandenen Valenzelektronen hinzukommen.

• Unter Einbeziehung der gemeinsamen Elektronenpaare dürfen sich am Ende nicht mehr als 8 (beim Wasserstoffatom 2) Elektronen auf der äußeren Schale eines Atoms befinden (Oktettregel).

• So können von einem Atom nur maximal vier Einfachbindungen ausgehen:

• Einbindig: H, F, Cl

• Zweibindig: O

• Dreibindig: N

• Vierbindig: C

Bildung einfacher Moleküle aus den Atomen

Atome Moleküle (Strukturformel)Summenformel (Namen)

Relative Molekülmassen

H H H : H H – H H2 2

: F F : : F : F : l F – F I F2 38

H Cl : H : Cl : H – Cl IHCl(Chlorwasserstoff)

36,5

H O HH2O

(Wasser)18

H N H : H

H : N : H H – N – H

: I

H H

NH3

(Ammoniak)17

H :H C H : H

H

H I

H : C : H H – C – H

H I

H

CH4

(Methan)16

::

::

: :

: :–– –

–

::

::

–

–

::

OH H

::

::

O

H H

–

–

––

:

: –

M. Kresken 7

Moleküle

• Aus Atomen entstehen durch Atombindung Moleküle.

• Wasserstoff und die Halogene liegen nicht wie die Edelgase atomar, sondern molekular vor; H2, F2 ...

M. Kresken 8

Darstellung von Molekülen

H2N C

O

NH2N C

O

H

HN

H

H

Strukturformel

Abgekürzte Schreibweise(Mischung aus Summen- &

Strukturformel)

CH4N2O

Summenformel

Harnstoff

M. Kresken 9

Molekülmasse

• Die Molekülmasse ergibt sich auch hier aus der Addition der Atommassen.

• Die Zahlenwerte sind als Verhältniszahlen dimensionslos (relative Molekülmasse Mr, oft fälschlicherweise als „Molekulargewicht“ bezeichnet)

• In der Biochemie findet man für die Molekülmasse die Einheit Dalton (Da): 1 Da = 1 u = 1,66 · 10-27 kg

• Das H2-Molekül ist das leichteste Molekül.

• Moleküle mit Massen bis 2.000 bezeichnet man als niedermolekular, solche ab 5.000 als hochmolekular.

• Hochmolekulare Biomoleküle sind z.B. Enzyme und Nucleinsäuren.

M. Kresken 10

Molekülmasse

• Die molare Masse (Mm) gibt die Masse pro Mol an(Einheit g/mol)

• Sie wird auch als Molekülmasse oder Molmasse bezeichnet.

M. Kresken 11

Bindungslänge & Bindungsenergie

• Durch die Atombindung werden zwei Atome in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten.

• Die Werte liegen zwischen 0,07 und 0,3 nm.

• Die Bindungsenergie (Bindungsenthalpie) lässt sich für jede einzelne Bindung in einem Molekül angeben.

• Die Bindungsenergie ist der Wert, der aufgebracht werden muss, um ein Molekül durch Spaltung der Atombindungen in die Atome zu zerlegen.

• Die Bindungsenergie ist damit genau der Betrag, der bei der Bildung des Moleküls aus den Atomen frei wird.

M. Kresken 12

Bindungslängen & Bindungsenergien

Molekül Bindungslänge Bindungsenergie

H2 (Wasserstoff) H – H 0,074 nm 436 KJ/mol

H2O (Wasser) O – H 0,096 nm 463 KJ/mol

NH3 (Ammoniak) N – H 0,100 nm 391 KJ/mol

CH4 (Methan) C – H 0,107 nm 413 KJ/mol

M. Kresken 13

Molekülorbitale

• Die Atome binden sich über Elektronen, die ihnen gemeinsam gehören, aneinander.

• Die Molekülorbitale entstehen durch Überlappen bei der Bildung eines Moleküls.

• Man spricht von einem -Molekülorbital und bezeichnet die Atombindung als -Bindung.

• Aus zwei Atomorbitalen entstehen zwei Molekülorbitale.

• Die beiden einzelnen Elektronen der 1s-Atomorbitale besetzen gemeinsam das energieärmere -Molekülorbital, während das energiereichere *-Molekülorbital frei bleibt.

• Damit wird deutlich, dass beim Entstehen von Atombindungen Energie frei wird.

M. Kresken 14

Energiediagramm für die Bildung einer Atombindung

1s

Energie

Atomorbital

1s

Atomorbital

*

M. Kresken 15

C-C-Einfachbindungen

• Der Kohlenstoff ist das Basiselement für das Leben auf der Erde.

• Die Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffatomsist 1s2 2s2 2p2 und Kohlenstoff ist daher vierbindig.

• Wie kann es zu vier gleichwertigen Atombindungen kommen?

M. Kresken 16

Orbitalschema des C-Atomsvor und nach sp3-Hybridisierung

1 s

2 s

2 p

Energie

Grundzustand

1 s

2 sp3

nach sp3-Hybridisierung

1 s

2 s

2 p

angeregter Zustand

M. Kresken 17

Methan-Molekül

C H

H

H

H

• Überlappt jedes der einfach besetzten sp3-Hybridorbitale des C-Atoms mit je einem einfach besetzten 1s-Atomorbital eines H-Atoms, erhält man vier doppelt besetzte bindende Molekülorbitale.

• Im Methan (CH4) liegen vier gleichwertige -Bindungen vor.

M. Kresken 18

C-C-Einfachbindungen

• Die Überlappung zwei einfach besetzter sp3-Orbitale ist die C-C-Einfachbindung.

• Sind die anderen Bindungen, die von den verknüpftenC-Atomen ausgehen, mit Wasserstoff besetzt, heißt die entstandene Bindung Ethan.

C

H

H

H C H

H

H

Ethan

Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Oktan, Nonan, Dekan

M. Kresken 19

Orbitalschema des C-Atomsvor und nach sp2-Hybridisierung

1 s

2 s

2 p

1 s

2pz

Energie

Grundzustand nach sp2-Hybridisierung

1 s

2 s

2 p

angeregter Zustand

sp2

Bindungsdaten für die C-C-Einfach- und Doppelbindung

AtomeHybridisierungder C-Atome

C-C-Bindungsenergie(kJ/mol)

C-C-Bindungsabstand

H H I IH – C – C – H Ethan I I H H

sp3 369 0,154 nm

H H C = C EthenH H

sp2 683 0,133 nm

H – C C – H Ethin

M. Kresken 21

C-C Mehrfachbindungen / -Bindung

• Ethen

- Es entsteht zwischen den beiden C-Atomen eine-Bindung.

- Vier weitere Bindungen richten sich auf die H-Atome.

- Die beiden p-Orbitale überlappen miteinander und bilden ein doppelt besetztes, bindendes -Molekülorbital aus.

• Ethin

- Die beteiligten C-Atome sind sp-hybridisiert.

- Es bilde sich eine -Bindung und zwei -Bindungen aus.

M. Kresken 22

Stickstoff und Sauerstoff

• Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) liegen bei Raumtemperatur molekular vor.

• Stickstoff hat fünf Valenzelektronen. Durch die Ausbildung von drei Atombindungen wird die Oktett-Struktur erreicht.

• Für das Molekül N2 führt dies zur Ausbildung einer Dreifachbindung zwischen den N-Atomen.

N

N + N N

M. Kresken 23

Stickstoff und Sauerstoff

• Beim Sauerstoff würde man eine Doppelbindung erwarten.

• Sauerstoff liegt auch in dieser Form vor (Singulett-Sauersoff), ist jedoch deutlich energiereicher als in einer Form mit einer Einfachbindung und zwei ungepaarten Elektronen (Triplett-Sauersoff),

• Moleküle mit ungepaarten Elektronen werden als Radikale bezeichnet.

• Luftsauerstoff ist als Di-Radikal sehr reaktionsfähig im Vergleich zu Stickstoff, der sehr reaktionsträge ist.

+

O O

O O Singulett-Sauerstoff

O O Triplett-Sauerstoff

M. Kresken 24

Ozon

• Sauerstoff kann durch elektrische Ladungen oder Bestrahlungen mit UV-Licht in Ozon umgewandet werden.

3O2 2O3 O

O

O+

-

O

O

O+

-

Ozon Zwischen den beiden Ozonformen besteht Mesomerie (es gibt mehr als eine Strukturformel)

M. Kresken 25

Polarisierte Atombindung

• Solange sich Atome gleicher Art an einer Atombindung beteiligen (z.B. H2, Cl2, N2) sind die Bindungselektronen symmetrisch im Raum zwischen und um die Atome verteilt.

• Dies gilt auch, wenn sich Atome verschiedener Elemente verbinden, sofern sich die beiden Elemente in ihrer Elektronegativität nur wenig voneinander unterscheiden: z. B. Kohlenstoff (EN 2,5) und Wasserstoff (EN 2,1).

• Dem gegenüber zeigt sich z. B. bei den Halogenwasserstoffen, dass die Halogenatome das bindende Elektronenpaar deutlich zu sich herüberziehen; die Atombindung ist polarisiert.

• Die Richtung der Polarisierung lässt sich durch die Angabe von Partialladungen (+, -) an den jeweiligen Atomen verdeutlichen.

M. Kresken 26

Polarisierte Atombindung

• Die Elektronegativität wird bei Elementen, die Atombindungen eingehen, zu einem Maß, wie weit ein Atom gegenüber einem anderen die Bindungselektronen zu sich herüberzieht.

• Die polarisierte Atombindung stellt somit einen Übergang zwischen einer reinen Ionenbindung und einer reinen Atombindung dar.

H F+ -

H Cl+ -

H Br+ -

H l+ -

H Cl+ -

Cl ClNa Cl+ -

Ionenbindung polarisierteAtombindung

Atombindung

M. Kresken 27

Polarisierte Atombindungen

O H- +

N H- +

C N+ -

C O+ -

C Cl+ -

• Die Richtung der Polarisierung ergibt sich aus der Elektronegativität.

• Die Polarisierung der N – H oder N – C Bindung ist schwächer als die der O – H oder C – O Bindung.

M. Kresken 28

Dipolmoleküle• Ein Körper, bei dem die Schwerpunkte der negativen und

positiven Ladung nicht zusammenfallen, wir als Dipol bezeichnet.

• Typische Dipolmoleküle sind die Halogenwasserstoffe.

• Wasser (H2O)

H

R

O

R – OHAlkohol

R – O – REther

R

R

O

H

H

O( = 105°

H2OWasser

-+

M. Kresken 29

Wasser

• Zwischen den Molekülen wirken elektrostatische Anziehungskräfte (Dipol-Dipol-Wechselwirkungen):

- Ein positiv polarisiertes H-Atom des einen Moleküls (Donator) nähert sich einem freien Elektronenpaar des negativ polarisierten O-Atoms (Akzeptor) eines Nachbarmoleküls.

- Ein H-Atom überbrückt damit zwei O-Atome.- Man spricht von einer Wasserstoffbrückenbindung, die

nur etwa 5-10% der Stärke einer kovalenten Bindung hat.

M. Kresken 30

Strukturen des Wassermoleküls

Kugel-Stab-Modell

Kalottenmodell

M. Kresken 31

Wasser & Methan

M. Kresken 32

Clusterbildung von Wassermolekülen

Ständige Fluktuation der H-Brücken

H

H

O

H H

O

HH

O

||||||

||

||||||||

H

H

O ||||||||

H

H

O

||||||

||

M. Kresken 33

Wasserstoffbrücken

M. Kresken 34

Struktur von Wasser & Eis

M. Kresken 35

Hydratation

Polare Lösungsmittel (Dipole) lösen Ionen und polare Stoffe.Gleiches löst sich in Gleichem.

M. Kresken 36

Eigenschaften von Wasser

• Hohe Polarität• Bildung von Wasserstoffbrücken• „Wasser ist nicht nur das Medium, in dem sich

die ersten Zellen gebildet haben, sondern auch Lösungsmittel, in dem die meisten biochemischen Prozesse stattfinden.“

Lehninger

M. Kresken 37

Isomerie

M. Kresken 38

Definition• Isomere sind Moleküle mit der selben Summenformel, aber

unterschiedlicher Struktur• Ist die Verknüpfung der Atome im Molekül verschieden,

handelt es sich um Konstitutionsisomere.- Leucin, Isoleucin- Citrat, Isocitrat

M. Kresken 39

Konstitutionsisomere

*chirales Zentrum

Leucin Isoleucin

M. Kresken 40

Definition• Isomere sind Moleküle mit der selben Summenformel, aber

unterschiedlicher Struktur• Ist die Verknüpfung der Atome im Molekül verschieden,

handelt es sich um Konstitutionsisomere.- Leucin, Isoleucin- Citrat, Isocitrat

• In Stereoisomeren ist die räumliche Anordnung von Substituenten in Bezug auf eine Bindung verschieden

- Enantiomere (verhalten sich wie Bild und Spiegelbild aufgrund eines chiralen Zentrums im Molekül)

M. Kresken 41

Enantiomere

M. Kresken 42

Definition• Isomere sind Moleküle mit der selben Summenformel, aber

unterschiedlicher Struktur• Ist die Verknüpfung der Atome im Molekül verschieden,

handelt es sich um Konstitutionsisomere.- Leucin, Isoleucin- Citrat, Isocitrat

• In Stereoisomeren ist die räumliche Anordnung von Substituenten in Bezug auf eine Bindung verschieden

- Enantiomere (verhalten sich wie Bild und Spiegelbild aufgrund eines chiralen Zentrums im Molekül)

- Diastereoisomere (verhalten sich nicht wie Bild und Spiegelbild) E/Z-Isomere (geometrische Isomere) Konformere

M. Kresken 43

E/Z-Isomere

„E“, entgegen

„Z“, zusammen

M. Kresken 44

Konformere

Liegen meist nur in einer definierten (nativen) Konformation vor.

M. Kresken 45

Isomere

Kostitutionsisomere Stereoisomere

Enantiomere Diasstereoisomereverhalten sich wie Bild und Spiegelbild

Summenformel gleich, Verknüp-fung der Atome verschieden

Summenformel und Verknüpfung der Atome gleich, räumliche Anord-nung verschieden

verhalten sich nicht wie Bild und Spiegelbild

Isomerie