Die chemische Bindung aus Sicht des Physikers
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Formale Metadaten
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| Anzahl der Teile | 99 | |
| Autor | ||
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| Identifikatoren | 10.5446/18702 (DOI) | |
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Chemische BindungComputeranimation
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Chemische BindungChemiestudentBesprechung/Interview
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AtomMolekülChemische BindungChemikerSeeZweiatomiges MolekülZellkernChemisches ExperimentVorlesung/Konferenz
02:52
MolekülChemische BindungBindungsenergieGraphiteinlagerungsverbindungenVorlesung/KonferenzBesprechung/Interview
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AtomMolekülChemische BindungAktionspotenzialZellkernVorlesung/Konferenz
07:32
MolekülStarterkulturZellkernAtomVorlesung/Konferenz
10:28
MolekülNatriumAtomIodPotenzialhyperflächeJoghurtSchönenChemisches ExperimentVorlesung/Konferenz
15:32
Chemische BindungMolekülChemienobelpreisVorlesung/KonferenzBesprechung/Interview
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Computeranimation
Transkript: Deutsch(automatisch erzeugt)
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Ich begrüße Sie zu einer kurzen Reflektion über die Natur der chemischen Bindung.
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Dabei möchte ich Sie mit verschiedenen Blickwinkeln auf die Natur der chemischen Bindung vertraut machen. Das ist einerseits der Blickwinkel des Physikers, auf der anderen Seite der Blickwinkel des Chemikers. Im Zentrum der Betrachtung wird natürlich die Frage nach der Natur der chemischen Bindung stehen.
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Was ist die chemische Bindung? Die Frage ist schwer zu beantworten. Es wird dann vor allen Dingen auch um die Frage gehen, wie kann ich chemische Bindungen verändern? Betrachten wir der Einfachheit halber ein zweiatomiges Molekül, bestehend aus zwei Kernen, die durch eine chemische Bindung verknüpft seien.
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Und wir betrachten im Folgenden zunächst den Schwingungsaspekt. In der Natur ist nichts in Ruhe. Auch die Atome in einem chemischen Molekül sind nicht in Ruhe. Es gibt eine Nullpunktenergie der Schwingung.
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Das heißt, die Moleküle schwingen um eine Gleichgewichtslage herum. Wenn die Atome auseinandergezogen werden, wirkt auf sie eine Rückstellkraft, die sie wieder zusammenzieht.
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Wenn die Atome sich zu nahe kommen, wirkt eine Abstoßungskraft, die sie wieder auseinander treibt. Den einen Teil der Kraft kann ich einfach schreiben als in einem Federbild über eine Federkonstante mal der Auslenkung aus einer Ruhelage.
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Ohne Einwirkung von außen schwingt das Molekül immer weiter. Wenn ich das Molekül jetzt warm mache, dann wird es stärker schwingen. Das heißt, die Auslenkung wird größer.
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Diese Herangehensweise bezeichne ich jetzt im Moment als die physikalische Herangehensweise. Es wird gleich klar werden, warum ich das so nenne. Wenn ich die Energie, die ich dem Molekül zuführe, zu groß mache, dann wird die Rückstellkraft, die auf die Atome wirkt, nicht mehr ausreichen, um die Atome wieder zueinander zu bringen.
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Und ich werde zwei freie Atome generieren. Als Chemiker sagen wir, wir haben die chemische Bindung gebrochen. Diese kritische Energie, die ich eben andeutete, nennen wir die Bindungsenergie des Moleküls.
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Jetzt stellt sich die Frage, welche Möglichkeiten habe ich, dem Molekül Schwingungsenergie zuzuführen. Eine Möglichkeit kam eben, nebenbei erwähnt, schon vor, nämlich die Temperatur der Probe zu erhöhen. Damit führe ich dem Molekül Schwingungsenergie zu und ich kann so chemische Bindungen brechen.
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Das funktioniert, ist aber nicht besonders selektiv, weil ich bei der Temperaturerhöhung alle Freiheitsgrade des Moleküls mit bedenke. Das heißt, ich werde nicht nur die Schwingungsenergie erhöhen, sondern zum Beispiel auch die Rotationsenergie etc. Welche Möglichkeiten habe ich, dem Molekül selektiver Schwingungsenergie zuzuführen?
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Und dort bietet sich die optische Anregung an. Insbesondere die Anregung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Wenn ich zum Beispiel Photonen der Wellenlänge 10 µm nehme, das ist gerade die Wellenlänge eines CO2-Lasers,
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dann entspricht ein Photon einer Energie von 1000 reziproken Zentimetern. Wenn ich mir ein Molekül vorstelle mit einer Bindungsenergie von 2 eV, dann entspricht das gerade 18.000 reziproken Zentimetern
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und ich benötige 18 Infrarot-Photonen, um die chemische Bindung zu brechen. Das funktioniert und das Ganze nennt man Infrarot-Multi-Photonen-Dissoziation.
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Wenn ich nun erreichen möchte, dass bei mehreren Molekülen die Bindung zur gleichen Zeit gebrochen wird, dann muss ich eine besondere Art der optischen Anregung wählen. Das ist eine Anregung mit sehr kurzen Lichtpulsen, mit sehr kurzen Laserpulsen.
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Bevor ich auf diese kurzen Laserpulse eingehe, muss ich kurz ein Ergebnis aus der Quantenmechanik in Erinnerung rufen. Das ist die Diskussion der quantenmechanischen Beschreibung des harmonischen und dann des anharmonischen Oszillators.
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Betrachten wir die Energie, die ein Molekül einnehmen kann als Funktion des Kern-Kernabstandes. Dann werde ich in einem realen Molekül ein Potential dieser Art finden.
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Das ist eine Darstellung der potenziellen Energie des Moleküls. Aus der Quantenmechanik lernen wir aber, dass das Molekül nur ganz bestimmte Energiezustände annehmen kann. Es kann Energie auch nur gequantelt aufnehmen.
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Diese Energiezustände versuche ich jetzt in diese Skizze einzuzeichnen. Das ist der Nullpunktzustand. Sie erinnern sich, im harmonischen Oszillator waren die Energieabstände gleich und im anharmonischen Oszillator werden sie immer kleiner.
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Ich male das dann normalerweise auf diese Art etwas suggestiv. Hier nähere ich mich den freien Atomen an. So, diese sind die erlaubten Energiezustände. Vielleicht male ich in diese Skizze sofort auch die dazugehörigen Wellenfunktionen mit ein.
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Die Wellenfunktion für den Grundzustand, die hat keinen Knoten. Ich wechsle mal die Farben, dann geht das vielleicht besser zu sehen. Die V gleich 1 Wellenfunktion hat einen Knoten.
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Sie sehen auch, wie ich Hilfslinien oder Hilfspunkte definiere, um so eine Skizze zu machen. Die nächste Wellenfunktion hat zwei Knoten.
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Die nächste hat drei Knoten und dann höre ich auf. Normalerweise schwingen nun verschiedene Moleküle unterschiedlich. Das heißt, ein Molekül ist zum Beispiel gerade am inneren Umkehrpunkt.
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Denken Sie daran, das ist der Kern-Kern-Abstand. Das ist der kleinste Kern-Kern-Abstand, der für diesen Quantenzustand erlaubt ist. Das heißt, die Atome sind sich sehr nahe. Andere Moleküle sind vielleicht gerade am äußeren Umkehrpunkt.
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Wieder andere Moleküle sind gerade auf dem Weg nach innen. Andere Moleküle sind auf dem Weg nach außen. Alle Moleküle schwingen unterschiedlich. Wenn ich nun erreichen möchte, dass alle Moleküle auf eine gleiche Art und Weise schwingen, dann hilft mir diese eben schon angedeutete Anregung mithilfe sehr kurzer Laserpulse.
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Ich erkläre das zunächst einmal anhand dieser Skizze und mache dann noch ein paar Bemerkungen über diese sehr kurzen Laserpulse. Wenn wir uns diese Schwingungswellenfunktionen anschauen
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und ich diese Schwingungswellenfunktionen addiere, dann sehen Sie, dass im linken Teil des Potentialtopfes, so wie ich das hier gemalt habe, das Vorzeichen der Wellenfunktion jeweils positiv ist. Im rechten Teil der Potentialkurve, wenn Sie genau hinschauen,
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sehen Sie, dass die Vorzeichen jeweils alternieren. Positiv negativ, positiv rot, negativ blau übereinander gezeichnet. Wenn ich diese Schwingungswellenfunktionen aufaddiere, dann komme ich zu einer Situation, die ich jetzt hier daneben aufmale.
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Ich habe einmal die Situation, dass meine Amplitude am inneren Umkehrpunkt, in dem Fall, sehr groß ist. Und in einem anderen Fall, wenn ich die Wellenfunktionen subtrahiere,
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dann bekomme ich gerade das andere. Ich male es mal oben drüber der Deutlichkeit halber, damit ich nicht zu viel übereinander male. Das heißt, ich kann die Schwingungswellenfunktion in der Orts- und in der Zeit Domäne in gewissen Grenzen natürlich lokalisieren.
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Diese Zustände sind zeitabhängig. Was ich hier aufgemalt habe, ist letztendlich ein Schwingungswellenpaket. Das heißt, sehr viele Moleküle starten zur gleichen Zeit am inneren Umkehrpunkt,
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schwingen nach außen, drehen um und so weiter. Das ist ein Schwingungswellenpaket. Ein solches Experiment hat vor einigen Jahren Ahmed Sehwail durchgeführt, am Natrium Judit Molekül. Und er hat diese Moleküle mithilfe von sehr kurzen Laserpulsen angeregt.
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Er hat Pulse von einer Dauer von 100 femtosekunden verwendet. Ich möchte kurz versuchen, diese 100 femtosekunden zu illustrieren.
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100 femtosekunden, das ist der zehntausendste Teil einer Milliardstelsekunde. Die Lichtgeschwindigkeit sind 3 mal 10 hoch 8 Meter pro Sekunde.
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Das heißt, in einer Sekunde legt Licht eine Strecke von 300.000 Kilometern zurück. Das ist ziemlich genau die Entfernung von der Erde zum Mond. Das heißt, das Licht braucht eine Sekunde von hier bis zum Mond.
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In 100 femtosekunden läuft das Licht 0,03 Millimeter weit. 30 Mikrometer, das ist weniger als eine Haaresbreite. Das soll die Dauer dieser Pulse illustrieren.
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Und nun kommen wir zu dem Experiment, welches Ahmed Sehwail durchgeführt hat. Er hat also diese Natrium Judit-Atome angeregt.
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Ich muss jetzt zwei Potentialkurven malen. In dieser oberen Potentialkurve hat er dieses Schwingungswellenpaket erzeugt.
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Dieses Schwingungswellenpaket hat in dem Moment keine andere Wahl als nach außen zu laufen. Er hat dann geschaut, wann Produkte gebildet werden. Das war das System Natrium Judit.
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Und hier hätte ich dann die freien Atome Natrium und Jod. Und er hat jetzt einfach als Funktion der Zeit geschaut, ob er Jod-Atome detektieren kann. Und das Ergebnis sieht folgendermaßen aus.
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Also tatsächlich die Jod-Atom-Konzentration nachgewiesen. Ich zeichne hier einen Zeit-Nullpunkt T0 ein. Und sage, zu dem Zeitpunkt hat er die Moleküle in diesem Schwingungswellenpaket-Zustand generiert.
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Und in dem Moment hat er natürlich noch keine Produkte. Ich muss mir mal Hilfslinien malen. Nach einer ganz bestimmten Zeit wird dieses Schwingungswellenpaket am äußeren Umkehrpunkt ankommen. Wie groß ist diese Zeit? Diese Zeit ist genau die halbe Schwingungsperiode der Natrium Judit-Schwingung.
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Wenn mein Schwingungswellenpaket hier außen angekommen ist, hat es die Möglichkeit zum Teil auf die andere Potentialfläche zu wechseln. Zu der Natur dieser beiden Elektronenzustände und der dazugehörigen sogenannten vermietenden Kreuzung sage ich jetzt hier nichts,
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sondern ich verweise nur darauf, ein Teil der Population kann aus dem oberen Potentialtopf heraus schwappen, bildet Produkte und der andere Teil kehrt um. Und dann sieht man in der Zeitabhängigkeit der Produktbildung
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sieht man eben ein interessantes Phänomen. Nämlich, dass nach der Zeit T halbe dreht Produkt auf,
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dann läuft das Schwingungswellenpaket wieder nach innen. In der Zeit werden keine zusätzlichen Produkte gebildet, aber die sind weiter da. Und nach einer Zeit, die dann der kompletten Schwingungsperiode entspricht, ist das Schwingungswellenpaket wieder zurückgekommen. Das heißt, ich muss jetzt etwas malen, was doppelt so breit ist und dann kommt der nächste Schwung.
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Die Stufe ist jetzt ein klein wenig niedriger und so weiter. Ich habe die Zeichnung jetzt nochmal neu an die Tafel geworfen. Wir sehen hier also, dass Ahmed Sehwail in der Lage war, zu ganz bestimmten Zeiten Produkte zu bilden.
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Diese Stufen sind nicht gleich hoch, weil ja der Anteil der Moleküle, die in dem gebundenen Potentialtopf drin sind, immer kleiner wird.
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Also werden die Stufen immer kleiner. Ahmed Sehwail war nicht der Erste, der chemische Bindungen gebrochen hat. Ahmed Sehwail war aber der Erste, dem es gelungen ist, chemische Bindungen zu einem von ihm definierten Zeitpunkt zu brechen. Und dafür hat er 1999 den Chemienobelpreis bekommen.
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Wir haben nun in den letzten Minuten den Schwingungsaspekt der chemischen Bindung betrachtet, die Frage, was die chemische Bindung ist, ist damit sicherlich noch nicht hinreichend beantwortet.
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Quantitativ im Übrigen schon gar nicht. Aber wir wollen uns nun im nächsten Abschnitt einem anderen Aspekt der chemischen Bindung nähern.