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Die chemische Bindung aus Sicht des Chemikers

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wenn das alle und
einer schönen und den ich in diesem Abschnitt wollen wir die Frage nach der chemischen Bindungen noch einmal von einem anderen Blickwinkel angenehm pragmatisch aus der Sicht des Chemikers der sich der Chemiker würden in der Regel sagen dass die Frage der chemischen Bindungen zuallererst eine Frage die Elektronen ist im Labor Labors würden wir sagen eine chemische Bindung besteht wenig ein bindendes Elektronenpaar welches welches von 2 Atomen geteilt wird wenn man genauer hinschaut gibt es natürlich auch eine eigene Elektronen Bindung also auch ein Elektron kann ausreichen ich kann auch eine Verbindung zwischen mehreren Atomen haben so also 3 Atome beteiligt sind dann spreche ich von einer Mehr Zentren Bindung diese Diskussion des bindenden Elektronenpaare es gibt uns jetzt qualitativ zunächst mal ein neues Kriterium für die chemische Bindung damit haben wir aber im Grunde genommen auch ein Kriterium dafür wie wir die chemische Bindung brechen können denn wenn die chemische Bindung voraussetzt dass sich bindende Elektronenpaare zwischen 2 Atomen oder mehr Atomen haben dann bedeutet die Abwesenheit von diesen Elektro und diesen Elektronen zwischen den Atomen Kernel per Definition den Bruch der Bindung werden wir eben in der
1. Folge noch den Schwedens Aspekt der chemischen Bindung diskutiert hatten sind wir nun also bei elektronischen Aspekt der chemischen Bindung und das eben erwähnte Kriterium würde bedeuten dass sich von den Themen und Elektronen die ich sehr salopp einmal so symbolisieren ich hoffe man möge mir verzeihen denn muss ich diese Elektronen ein einfach nur aus dem Bildungsbereich wegschieben und habe damit ein Konzept die chemische Bindungen zu brechen das klingt sehr verlockend wenn das Konzept so gut ist wie ich es gerade so geredet haben warum werden nicht alle chemischen Bindungen so gebrochen und das hat einen einfachen Grund und der ist verknüpft mit 2 der berühmtesten physiko-chemische der Atomwissenschaftler auf diesem Gebiet nämlich mit Max Born und Robert Oppenheimer und bauen und Oppenheimer haben erkannt dass elektronische sehr viel leichter sind als Kern ein Elektron und wiegt ungefähr den 1810 Teil eines Protons wegen dieses Themas Unterschiede bewegen sich Elektronen sehr sehr viel schneller als die Kerne und man kann in 1. Näherung können annehmen dass die Elektronen Dynamik und die Kerne Dynamik unabhängig sei in der Quantenmechanik schreibt man das sehr vereinfacht folgendermaßen dass sich die gesamte Wellenfunktionen des Moleküls faktorisieren kann also ein Produkt ansetzen kann der Kernel Wellenfunktion dazugehört das Geschehen aus den Jahren nicht mal der elektronischen Wellenfunktion das ist die Basis der sogenannten von Oppenheimer Approximation und diese von Oppenheimer Approximationen die besagt dass Elektronen und Kern Dynamik im Wesentlichen voneinander unabhängig sei es für mehr als 90 Prozent aller chemischen Prozesse gültig ist einer der fundamentalen Grundlagen der physikalischen Chemie es ist sozusagen auch ein Heiliger Gral im Folgenden werden wir darüber zu sprechen haben wie Elektronen und Kern Dynamik letztendlich aber doch Zusammenhänge dabei geht es nicht um die Frage von Oppenheimer Approximation auszugeben ich würde argumentieren man muss die die Grenzen einer so wichtigen Approximation erkennen und ihre Bedeutung richtig einschätzen zu können nun
werden sie von Oppenheimer Approximationen kennt sie im Studium kennen gelernt hat der weiß dass meine eben gemachte Suggestionen einfach Elektronen wegzuschieben aus dem Bildungsbereich und damit die chemische Bindung zu brechen offenbar so in der Regel nicht funktioniert aber warum funktioniert das nicht das liegt daran dass die Elektronen in der Regel sehr viel schneller wieder zum Kernbereich zurückkommen und ich also auf diese Art und Weise es nicht schaffen die die Kerne entsprechend bewegt zu haben die chemische Bindungen gebrochen zu haben und freier Atome gebildet zu haben um die Elektronen Dynamik ist einfach zu schnell dafür und wenn ich sie nicht kontrollieren kann kann ich so auch die die chemische Bindungen nicht sprechen damit ist ein Stichwort gefallen das Konzept hier müsste sein kann nicht elektronisch Dynamik kontrollieren kann ich kontrollieren in welchem Bereich sich Elektronen und zu welcher Zeit aufhalten um damit dann letztendlich die chemische Bindungen brechen zu können dazu könnte doch eigentlich das gleiche Konzept nützlich sein welches wir eben auch schon diskutiert hatten wir hatten eben Schwedens Wellenpakete diskutiert sie an eine Möglichkeit die Positionen von Atomen und zwar von einem sondern von Atomen in Innenohr in Moleküle zu einer bestimmten Zeit im Raum zu lokalisieren und nun wollen wir versuchen das gleiche Konzept zu übertragen auf die Elektronen den iMac und dazu bringe ich wiederum ein einfaches Beispiel und dieses Beispiel basiert auf dem Wasserstoff Molekül das Wasserstoffmoleküle ist vereinfacht gesagt die natürlich so viele Arten der Leser Physiker und daran sind alle wichtigen Experimente gemacht worden ich
skizziere dazu die Wellenfunktionen der H 2 +plus 4 und weiß nicht wie die genau genommen die elektronischen Wellenfunktion und ich beginne mit dem bindenden den Zustand des H 2 +plus 4 und auf einer x-Achse zeichne ich mir jetzt hier in einer Projektion die Positionen der beiden Kerne einer im Rahmen der von Oppenheim Approximation halte ich die Kerne fest und diskutieren die elektronische Funktionen und ich war jetzt die bindende Wellenfunktion 2 Hilfslinien zu erhöhen und wir haben einen die Wellenfunktion hat ähnliche Werte die maximal werden im Bereich der Kerne und die die Wellenfunktion ist aber auch von 0 verschieden zwischen den Kernen und dort ist die relevante Elektronendichte die für die chemischen Bindungen verantwortlich ist das ist die bindende Wellenfunktion ich mal jetzt darüber die Wellenfunktion für den antibindenden Zustand diese Wellenfunktion den antibindenden Zustand hat einen Knoten genau in der Mitte zwischen den beiden so wenig nur diese beiden Elektronen Zustände diese beiden Wellenfunktionen auf addiere dann erhalte ich eine Funktion die ich untendrunter Maler damit es einfacher zu sehen ist ist wohl das maßstäblich zumal in diesem Bereich sind beide Wellenfunktionen positiv das heißt ich bekomme eine Überhöhung in diesem Bereich sind dann die Wellenfunktion ab und ich komme hier ungefähr irgendwo an eine Nullstelle und weil die Amplitude nicht identisch sind sind die Wellenfunktion an dem anderen kann nicht auf 100 sondern sieht ungefähr so aus aber ich glaube man kann sehen dass die Wellenfunktion relativ stark lokalisiert ist an dem einen Kern nicht die beiden Wellenfunktionen subtrahieren dann bekomme ich das genaue Spiegelbild dann ist die Wellenfunktion an den anderen Kern lokalisiert beides sind wiederum nur Zuständen die Zeit abhängig sind die des Elektrons wird zwischen den beiden Kernen hin und her oszillieren und ich habe ich hier ein elektronisches werden Paket nun ist die nächste
Frage welches Experiment gibt mir die Möglichkeit diese beiden Elektroden Zustände miteinander zu koppeln und es ist wieder ein optisches Anregung das Experiment mit Hilfe von sehr kurzer Laserpulse die diesmal aber noch kürzer sein müssen als das was wir eben diskutiert hatten bei der verschiedensten und dem damit hatten wir eben im Zusammenhang mit jeweils 100 Femtosekunden Pulse diskutiert für das Experiment was sich hier gerade diskutiert wird benötigt man Pulse die sind ungefähr 5 Femtosekunden lange sie
müssen nur als nächstes die Frage diskutieren was mit Elektronen passiert wenn ich das Molekül in einen Leser fällt in ein optisches fällt hineinbringen vertraut sind die meisten vielleicht mit dem Gedanken dass ich mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung geeignet der Wellenlänge der Elektronen von einem der höchsten 6. Molekülorbitalen in ein höheres bis dahin war kann das Molekülorbitale anregen kann wenn die Photonenenergie ausreicht kann ich das Elektron so hoch anregen dass ist freigesetzt wird dann spricht man von Fotos Ionisation und das Ganze gilt für Pflichtfelder relativ niedriger Intensität wenn wir hier aber Leser Pulse diskutieren die nur 5 Femtosekunden dauern und die sehr viele Photonen enthalten dann erreichen wir Intensitäten die sind so groß dass ganz andere Phänomene auftreten und diese Phänomene müssen wir im Folgenden kurz diskutiert und dazu müssen wir uns in Erinnerung rufen Sie jemandem elektromagnetische Strahlung beschreiben kann in der man genetische Anteil der elektromagnetischen Strahlung interessiert uns im Moment nicht uns interessiert nur der elektrische Anteil von den schreibe ich im Folgenden auf das elektrische Feld als Funktion der Zeit sieht dann folgendermaßen aus es enthält eine trigonometrische Funktionen Kosinus und Ärger aber das ist die Frequenz der Lichtstrahlen die ich diskutiere plus einer Phase und noch nicht erwähnt hatte ich diesen vor Faktor a von t der letztendlich die Zeitstruktur des Lichtpulses macht vielleicht hilft es wenn ich einfach einmal einen eigenen Leser fehlt welches sie relevant ist an die Tafel skizzieren und mit Absicht einmal die die Zeitachse zunächst weg das erleichtert die Zeichnung weil ich und 0 Lagerung nicht aus sollten sich nicht Moment konzentriert so wie dieses hier ist eine Zeitachse auf der y-Achse hab ich die elektrische Feldstärke aufgetragen und Sie sehen dass das ein Lichtpuls ist der aus wenigen optischen Cycle besteht im
Folgenden möchte ich ein vereinfachtes Bild dessen vorstellen was mit den Elektronen in diesem intensiven Leser fällt nun passiert im Grunde genommen merken die Elektronen das elektrische Feld das elektrische Feld des des Lesers des das Pulse zieht an den Elektronen und wir können uns in 1. Näherung vorstellen dass diese elektrische Feld Amplitude im Grunde genommen sich übersetzt in eine zeitabhängige Polarisation der Elektronen vereinfacht gesprochen kann mir das so vorstellen dass die Elektronen aus einer bestimmten Referenz Lage quasi aus gelenkt werden das Ganze kann ich vielleicht jetzt am einfachsten diskutieren am H 2 Moleküle jetzt sind wir bei einem neutralen H 2 Moleküle was ich letztendlich mache ist diese zeitabhängig Elektronen Polis Polarisation zu diskutieren und ganzen eigentlich nur die Maxima der elektrischen Feld Amplitude an der Stelle wird quasi das Elektron von dem H 2 +plus Moleküle weggezogen aber an der Stelle ändert das elektrische Feld in seine Richtung und letztendlich auch sein Vorzeichen zu zudem hilft dass das Elektron welches in dem Zeitpunkt noch nicht frei war dann den Rest des Moleküls zusätzlich merkt und der ist sehr positiv geladen denn ich habe dann ein H 2 +plus heran und ein Elektron das Elektron wird zurückgezogen und es passiert etwas was man der Kollision nennt das Elektron regt kollidiert mit dem Rest des Moleküls und setzt alle diese Prozesse in Gang um die ich eben schon versucht hatte anzudeuten insbesondere auch die Kopplung der Elektronen Zustände des H 2 +plus ihr uns was letztendlich passiert ist man ein Elektron verlässt das Molekül und die chemische Bindung ist gebrochen und man bekommt ein H Atome und ein Proton und ein freies Elektron das interessante ist jetzt das er in einer von diesen beiden Kerne eines ein Elektron hat und das andere nicht und in das Saarland jetzt aus Sicht des Lesers Physikers ist die Frage kann ich den Bruch der chemischen Bindung dahin gehend manipulieren dass er eben die die Ladung auf den anderen Kern setzt das heißt dann hätte ich ein Proton was nach oben fliegt und ein Wasserstoffatom was nach unten fliegt das konstituiert sich etwas was man Elektronen Lokalisation nennt und die Lokalisation der Elektronen ist ja nun gerade die Ausgangsfrage gewesen und der der Schlüssel zum Bruch der chemischen Bindung über Elektronen Kontrollen gibt das kann ich die Situation und drehen und die Antwort ist ja dazu brauche ich ein anderes ist das Geld welches folgendermaßen aussehen sollen möchten haben schon jetzt muss ich wieder nicht konzentrieren wir sind nicht genau untereinander zu sehen Sie den Unterschied erläutern wenngleich ich zeig dir erst was passiert ist und suggestiv male ich die Kollision des Elektrons jetzt einfach einen anderen Kernen das etwas vereinfacht was letztendlich passiert ist das Elektron wird hier unten lokalisiert das heißt ja da das und ich habe da oben das Proton und das freigelegt und natürlich auch was ist der Unterschied zwischen diesen beiden Leser Feldern in dem Fall war die diese Frau in dieser Phase fiel gleichen oder diese Phase VII ist der der Phasen Unterschied zwischen der sogenannten Trägerwelle das ist die Trägerwelle und der einhüllenden in diesem Fall ist die gleichen und in dem Fall dass nicht Träger eine übrigens die gleiche aber in dem Fall ist die Fahrt gleich kennen diese Phase die sogenannte Career in Phase kann man heutzutage in einem Laser Puls kontrolliert einstellen und man kann darüber die Elektronen lokalisieren und ich kann darüber im Prinzip chemische Bindungen brechen das Experiment ist vor ein paar Jahren in der Gruppe von Ferenc Krausz am Max-Planck-Institut in Garching durchgeführt worden und wir haben das in der Zwischenzeit für einen nicht homolog Leaders Moleküle durchgeführt haben das nämlich mit DCL gemacht und dann sieht man dass man einmal Color bloß nach unten und das andere Mal bloß nach oben erzeugen kann das ist im Prinzip die Basis des Gedankens chemische Bindungen über elektronische Dynamik zu kontrollieren und zu manipulieren vielleicht darf ich das so sagen für einen für die Physiker und war damit das Proof-of-Principle Experimente durchgeführt und ab da war das ist das Thema nicht mehr so interessant für den Chemikern fängt es jetzt natürlich überhaupt erst an spannend zu werden
der Chemiker die Chemikerin ist natürlich nicht nur an dem Bruch einer Bindung in einem Molekül interessiert welches nur eine Bindung hat sondern die Chemiker sind ein Pulli Atome in Molekülen interessiert und die spannende Frage wird dieser sein ob es gelingt in einem Pulli Atome im Moleküle ich bleibe immer noch in der Vereinfachung die ich eben eine Tafel gut anmalen kann ob es mir gelingt in so einem Molekül entweder die Art Bindung zu brechen oder die B B 10 Bindung zu brechen dieses Konzept ist jetzt hier absolviert mit 3 Buchstaben und das können sie auf jedes organische oder anorganische Moleküle oder biochemischen Molekül natürlich letztendlich übertragen das wird die spannende Frage für die nächste Zeit sein ich persönlich glaube dass es möglich sein wird in einem Artikel habe ich das kürzlich so formuliert Kontrollen Direktionsbüro Termins Vorkontrollen kennt ist wie ich hoffe dass ich Ihnen damit ein paar neue Aspekte der chemischen Bindungen hier vorgestellt habe ein interessanter neben dem Aspekt ist der der eingangs erwähnte der Gedanke der schönen uns den Anblick ist ja etwas was aus der Quantenmechanik haben das heißt das kann definitiv aus der Physik die Untersuchung von unten Schwingungszuständen in Molekülen ist definitiv eine Domäne der Chemiker und umgekehrt ist der Gedanke dass zur chemischen Bindungen die Elektronen gehören ist etwas was ursprünglich aus der Chemie kann haben diese Untersuchungen zu Elektronen Dynamik sind ist er aber hauptsächlich von Physikern durchgeführt werden ich denke man sieht dass es an der Schnittstelle zwischen Physik und Chemie ein paar interessante Dinge warten und ich bin gespannt auf das was man hier in den nächsten Jahren noch dazulernen wird vielen Dank ich meine Herren und Damen und von der ich will ich will
ja ist bei diesen Experimenten werden Moleküle im Raum quasi festgelegt und ich habe also Moleküle die zum Teil in dieser Orientierung vorliegen ich habe Moleküle die zum Teil in der anderen Orientierung vorliegen und was ich hier jetzt in dem Experiment letztendlich mache es ich kontrolliere die Elektronen Dynamiken so dass selbst in einem Ensemble in dem diese beiden Orientierungen gleich häufig vorkommen ich letztendlich hinterher daher entweder eine Präferenz für eine Freisetzung von Chloridionen nach oben erhalten oder oder aber eine Präferenz für eine Freisetzung von Depressionen nach oben hat und das nicht das gleiche aus unterschiedlichen Situationen für das freie Presse freie Moleküle in der Gasphase die wird durch das Lesefest zerlegt gibt auch die Möglichkeit sich durch das Lesen Welt zu manipulieren das lassen wir aber im Moment hier außen vor
IMAC
Zellkern
Molekulardynamik
Mineralgang
Chemische Verbindungen
Computeranimation
Gasphase
Atom
Spezies <Chemie>
Freies Elektron
Wasserstoff
Schlag <Landwirtschaft>
Chemische Bindung
Elektronenpaar
Lagerung
Experiment innen
Molekül
Chemiker
Molekülorbital
Sonnenschutzmittel
Chemikerin
Physikalische Chemie
Elektron <Legierung>
Bruch
Chloridion
Azokupplung
Blei-208
Chemiestudent
Wasserstoffmolekül
Chemie
Chemische Bindung
Chemischer Prozess
Proton

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Die chemische Bindung aus Sicht des Chemikers
Serientitel Chymiatrie
Autor Weitzel, Karl-Michael
Jerabek, Paul
Hegemann, Julian
Authmann, Andreas
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 10.5446/18803
Herausgeber Paul Jerabek, Julian Hegemann, Andreas Authmann
Erscheinungsjahr 2011
Sprache Deutsch

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Chemie
Abstract Prof. Weitzel zeigt die Sicht des Chemikers auf die chemische Bindung.
Schlagwörter Vortrag
Theoretische Chemie
Physikalische Chemie

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