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Die chemische Bindung aus Sicht des Physikers

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schön ist ich begrüße Sie zu einer kurzen Reflexionen über die Natur der chemischen Bindung und dabei möchte ich Sie mit verschiedenen Blickwinkeln auf die Natur der chemischen Bindung vertraut machen und 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 was ist die chemischen Bindungen die Frage ist schwer zu beantworten und es wird dann vor allen Dingen auch um die Frage gehen wie kann ich chemische Bindungen verändern betrachten
wir der Einfachheit halber einen zweiatomigen Molekülen bestehend aus 2 Kerne die durch eine chemische Bindung verknüpft sein und wir betrachten im Folgenden zunächst den Schwedens Aspekt in der Natur ist nichts in Ruhe auch die Atome in einem chemische Moleküle sind nicht in Ruhe und es gibt eine Nullpunktsenergie der Schwingung das heißt die Moleküle schwingen um eine Gleichgewichtslage herum haben wenn die Atome auseinandergezogen werden wirkt auf sie eine Rückstellkraft die sie wieder zusammenzieht haben wenn die Atome sich zu nahe kommen .punkt wird eine Abstoßung Sklaven die sie wieder auseinander treibt in einen Teil der Kraft kann ich einfach schreiben als in einem See der Welt über eine Feder konstante mal der Auslenkung aus einer Vorlage ohne Einwirkung von außen schwingt das Molekül immer weiter und wenn ich das Molekül jetzt waren machen dann wird das stärker schwingen das heißt die Auslenkung wird größer und diese Herangehensweise bezeichne ich jetzt im Moment als die physikalische Herangehensweise wird gleich klarwerden warum ich das so nennen wenn ich die Energie die ich die Moleküle zu führen und zu groß mache dann wird die Rückstellkraft der die auf die Atome wirkt nicht mehr ausreichen um die Atome wieder zueinander zu bringen und ich werde 2 freier Atome generieren als Chemiker sagen wir wir haben die chemische Bindungen gebrochene diese
kritische Energie die ich eben andeutete nennen wir die Bindungsenergie des Moleküls jetzt stellt sich die Frage welche Möglichkeiten habe ich die Moleküle Schwingungsenergie zuzuführen eine Möglichkeit kam eben nebenbei erwähnt schon vor nämlich die Temperatur der Probe zu erhöhen damit für dich die Moleküle Schwingungsenergie zu zu und ich kann so chemische Bindungen brechen 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 die Moleküle selektiver Schwingungsenergie zuzuführen und dort bietet sich die optische Anregung an insbesondere die Anregungen im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums wenn ich zum Beispiel Photonen der der Wellenlänge 10 Mikrometer annehmen dass es gerade die Wellenlänge eines CO 2 lässt das dann entspricht 1 Foto und eine Energie von 100 Tausend reziproken Zentimetern wenn ich mir ein Molekül vorstellen mit einer Bindungsenergie von 2 Elektronenvolt dann entspricht das gerade 18 Tausend reziproken Zentimetern und ich benötige 18 infrarote Photonen um die chemische Bindungen zu brechen das funktioniert und das Ganze nennt man Infrarot Multi Photonen Dissoziation wenig
nun erreichen möchte dass bei mehreren Moleküle die Bindung zur gleichen Zeit gebrochen wird dann muss ich eine besondere Art der optischen Anregungen wählen und das ist eine Anregung mit sehr kurzen Lichtpulsen mit sehr kurzen Laserpulsen bevor ich auf diese kurzen Laserpointer eingehe muss ich kurz ein Ergebnis aus der Quantenmechanik in Erinnerung rufen dass ist die Diskussion des quantenmechanischen Beschreibung des harmonischen und dann des einen harmonischen Oszillators betrachten wir die Energie die ein Molekül einnehmen kann als Funktion des Kern Kern Abstande dann werde ich in einem realen Molekülen ein Potenzial dieser Art finden das ist eine Darstellung der potentiellen Energie des Moleküls aus der Quantenmechanik lernen wir aber dass das Molekül nur ganz bestimmte Energiezustände einnehmen kann es kann Energie auch nur gequantelt aufnehmen und diese Energiezustände versuche ich jetzt in dieser Skizze einzuzeichnen ist der .punkt Zustand ändern sich im harmonischen Oszillator waren die Energie Abstände gleich und immer an harmonischen Oszillator werden sie immer kleiner aber ich male das normalerweise auf diese Art etwas suggestiv hier in der ich mich dem den freien Atomen einen Sohn dieses sind die erlaubten Energiezustände vielleicht mal ich in dieser Skizze sofort auch die dazugehörigen Wellenfunktionen mit einem die Wellenfunktion Grundzustand hat keinen Knoten die nicht immer die Gefahr dass wir zu sehen die Frau gleich 1 Wellenfunktion hat einen Knoten sehen auch nicht mehr Linien und Punkte quasi definieren und so eine Skizze zu machen die nächste Wellenfunktion hat 2 Karotten so dass in den 3 Knoten oder wo
normalerweise schwingenden verschiedene Moleküle unterschiedlich das heißt einem Molekül ist zum Beispiel gerade an inneren Umkehrpunkt bedenkenswert an das ist der Kern Kern Abstand der kleinste Keim Abstand der für diese für diesen Quantenzustand erlaubt ist das es die Zeitungen sind sich sehr nah nahe an der Moleküle sind vielleicht gerade am äußeren Umkehrpunkt wieder andere Moleküle sind gerade auf dem Weg nach innen andere Moleküle sind auf dem Weg nach draußen alle Molekülschwingungen unterschiedlich wenn ich nun erreichen möchte dass alle Moleküle auf eine gleiche Art und Weise schwingen das hilft mir diese eben schon angedeutet der Anregungen mit Hilfe sehr kurzer Leser Puls ich erkläre das zunächst einmal anhand dieser Skizze und so mache dann noch ein paar Bemerkungen über diese sehr kurzen wenn wir uns diese Wellenfunktionen anschauen diese Schwingungen Funktionen und ich diese erschien uns Wellenfunktionen addiere dann sehen Sie dass im linken Teil des Potenzial Topfes so wie ich das hier gemalt habe die das Vorzeichen in der Wellenfunktion jeweils positiv ist im rechten Teil der Potenzial Kurse wenn Sie genau hinschauen sind die Vorzeichen jeweils alternierend positiv bewerten positiv oder negativ blau übereinander zeichnet wenn ich diese stehen Wellenfunktionen auf addiere dann komme ich zu einer Situation die ich jetzt hier dann eben auch mal ich habe einmal die Situation dass meine Amplitude am inneren und in dem Fall sehr groß ist und in einem anderen Fall wenn ich die Wellenfunktion subtrahiert dann bekomme ich gerade das andere ich mal mal obendrüber der Deutlichkeit halber damit ich nicht zu viel übereinander malen das heißt ich kann nicht Stimmungswende Funktionen in der Arzt und in der Zeit der Domäne in gewissen Grenzen natürlich lokalisieren diese Zustände sind zeitabhängig was sich hier aufgemalt habe ist letztendlich ein ein Schwingungen zu Wellenpakete das heißt sehr viele Moleküle Starts und zur gleichen Zeit an inneren Umkehr .punkt schwer nach außen drehen um und so weiter aber das ist ein schönes ein
solches Experiment hat vor einigen Jahren Ahmet Zewail durchgeführt an Natrium Judith Moleküle und der hatte er diese Moleküle mit Hilfe von sehr kurzen Leser Poulsen angeregt hatte ein Pulse von einer Dauer von 100 Femtosekunden verwendet möchte kurz versuchen diese 100 Femtosekunden zu illustrieren und 100 Femtosekunden das ist der zehntausendste Teil einer Milliardstel Sekunde die Lichtgeschwindigkeit sind 3 mal 8 Meter pro Sekunde das heißt in 1 Sekunde legt das Licht eine Strecke von 300 Tausend 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 und in 100 Femtosekunden läuft das nicht nur ,komma 0 3 Millimeter breit 30 Mikrometer das ist weniger als eine Haaresbreite das soll die Dauer dieser Größe illustrieren und nun kommen wir zu dem Experiment welches Ahmet Zewail durchgeführt hat er hat also diesem Natrium Judith Atome angeregt muss jetzt 2 Potenzial Kurven machen und der hat es in dieser oberen Potenzial Kurve hat er dieses Schwingungsverhalten Paket erzeugt und dieses Geschehens werden Paket hat jetzt in dem Moment überhaupt keine andere Wahl als nach außen zu laufen und er hat dann geschaut wann und Produkte gebildet werden und das war das System Natrium Judith und hier hätte ich dann die freien Atomen Natrium und Joghurt und der hat jetzt einfach als Funktion der Zeit geschaut ob er Jod Atommüll detektieren kann und das Ergebnis sieht folgendermaßen aus also tatsächlich die rot Atom Konzentrationen nachgewiesen ich zeichne hier einen 2. 0 .punkt T 0 1 und sage zu dem Zeitpunkt hat er die Moleküle in diesem schönen Geschehens Wellenpakete Zustand regeneriert und in dem Moment hat er natürlich noch keine Produkte Hilfslinien waren nach einer ganz bestimmten Zeit wird dieses stehen einem Paket am äußeren Umkehrpunkt ankommen groß ist diese Zeit zeigt ist genau auch die halbe Stunde Periode der Natrium wird es schwer in meinem schönen Paket hier außen angekommen ist hat es die Möglichkeit zum Teil auf die andere Potenzialflächen Zuwächse zu der Natur Touren dieser beiden Elektronen Zustände und der dazugehörigen sogenannten vermiedenen Kreuzungen sag ich jetzt hier nicht sonderlich verweisen oder auf ein Teil der Population kann aus den oberen Potenzial Topf aus Schwaben bildet Produkte und der andere Teil kehrt um und dann sieht man derzeit Abhängigkeit der der Produkte Bildung sieht man eben ein interessantes Phänomen nämlich dass nach der Zeit die halbe dreht Produkt auf dann läuft das Spiel einem Paket wieder nach innen in der Zeit werden keine zusätzlichen Produkte gebildet aber die sind weiter da und nach einer Zeit die dann der kompletten Schwedens Periode entspricht ist das Geschehen 2. Paket wieder zurückgekommen das heißt ich muss jetzt zu waren das doppelt so breit ist und dann kommt der nächste schon die Stufe ist jetzt ein klein wenig niedriger Gehälter
ich habe die Zeichen jetzt nochmal neu an die Tafel geworfen und wir sehen hier also das Ahmet Zewail in der Lage war zu ganz bestimmten Zeiten und Produkte zu bilden und diese Stufe sind nicht gleich hoch weil ja der Anteil der Moleküle die in dem gebundenen Potenzial Topf drinnen sind immer kleiner wird also wenn die Stufen immer kleiner Ahmet Zewail war nicht der Erste der chemischen Bindungen gebrochen hat Ahmet Zewail war bei der 1. dem es gelungen ist chemische Bindungen zu einem von Ihnen definierten Zeitpunkt zu Recht und dafür hat er zu 99 den Chemienobelpreis bekommen wir haben in den letzten Minuten den Schwedens Aspekt der chemischen Bindungen betrachtet die Frage was die chemische Bindung ist ist damit sicherlich noch nicht hinreichend beantwortet qualitativ im Übrigen schon gar nicht aber wir wollen uns nun im nächsten Abschnitt einen anderen Aspekt der chemischen Bindung nähern man
Chemiestudent
Chemische Bindung
Besprechung/Interview
Computeranimation
Bindungsenergie
Atom
Zellkern
Chemische Bindung
See
Zweiatomiges Molekül
Experiment innen
Molekül
Chemiker
Graphiteinlagerungsverbindungen
Starterkultur
Atom
Zellkern
Chemische Bindung
Experiment innen
Molekül
Quark
Atom
Joghurt
Chemienobelpreis
Iod
Chemische Bindung
Schönen
Experiment innen
Molekül
Natrium
Potenzialhyperfläche
Computeranimation

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Die chemische Bindung aus Sicht des Physikers
Serientitel Chymiatrie
Autor Authmann, Andreas
Hegemann, Julian
Jerabek, Paul
Weitzel, Karl-Michael
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen und das Werk bzw. diesen Inhalt auch in veränderter Form nur unter den Bedingungen dieser Lizenz weitergeben.
DOI 10.5446/18702
Herausgeber Paul Jerabek, Julian Hegemann, Andreas Authmann
Erscheinungsjahr 2011
Sprache Deutsch

Technische Metadaten

Dauer 17:17

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Chemie
Abstract Prof. Weitzel gibt eine Einführung in die Natur der chemischen Bindung mit Fokus auf den physikalischen Standpunkt.
Schlagwörter Vortrag
Theoretische Chemie
Physikalische Chemie

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