2.1 Elektrisches Potential • Potentielle Energie zweier Punktladungen Z r Q1 Q2 Q1 Q2 r Q1 Q2 VC = dr = |1 = 2 4⇡✏✏o r 4⇡✏✏o r 1 4⇡✏✏o r • Elektrisches Potential ist der Quotient aus potentieller Energie und einer Ladung = Vc = Vc Q1 = Q2 4⇡✏✏o r Q1 Q2 1 p 2 4⇡✏✏o x + y 2 + z 2 Fx = @V = @x 1 Q1 Q2 2x 2 2 4⇡✏✏o (x + y 2 + z 2 ) 32 Fy = @V = @y 1 Q1 Q2 2y 2 2 4⇡✏✏o (x + y 2 + z 2 ) 32 @Fx 3 Q1 Q2 2yx = 2 @y 2 4⇡✏✏o (x + y 2 + z 2 ) 52 @Fx 3 Q1 Q2 2yx = @y 2 4⇡✏✏o (x2 + y 2 + z 2 ) 52 @Fy 3 Q1 Q2 2xy = 2 @x 2 4⇡✏✏o (x + y 2 + z 2 ) 52 • Coulomb-Kraft vermittelt alle Arten chemischer Bindung • Um festen Bindungsabstand zu realisieren, abstoßende und anziehende Kraft (Potential) nötig 9 3 Abstoßendes Potential • Born-Mayer-Potential (folgt aus Pauli Prinzip) • V (r) = EG e 2rs r % • EG ist dabei die Abstoßungsenergie bei r = rs , wobei rs ungefähr dem Atomradius entspricht 4 Bindungsarten 4.1 Ionische Bindung: • Abstoßung nach Born-Mayer, Anziehung durch reine Coulomb-Wechselwirkung 4.2 Kovalente Bindung • Erinnerung: ~ beschrieben, Eigenfunktion – Elektronen durch Wellenfunktion (r) nlm – LCAO-Theorie: Linearkombination der Atomorbitale gibt Wellenfkt. mit erhöhter und erniedrigter Elektronendichte zwischen den Atomrümpfen – Wellenfunktionen der Atomorbital müssen überlappen, falleb exponentiell mit dem Radius ab • Empirisches Potential V (r) = 1 qe2 e 4⇡✏✏o r r ⇣ • Fällt steiler ab als Coulomb-Potential (kürzere Reichweite). Ursache: Verringerung des Überlapps der Wellenfunktionen, die exponentiell abfallen. 10 4.3 4.3.1 Schwache Bindungen Elektrischer Dipol • Dipolmoment µ = |q|d • Elektrisches Feld: ~ r) = E(~ 1 3~ er (~eµ · ~er ) µ 4⇡""0 r3 ~eµ mit den Einheitsvektoren ~er und ~eµ gemäß der Skizze 11 4.3.2 Potentielle Energie einer Punktladung qp im Dipolfeld VQD (~r) = V q (r) + V+q (r) " qp q qp ( q) = + ~ 4⇡""o | ~r d2 | 4⇡""o | ~r + ! qp q 1 1 = 4⇡""0 | ~r d~ | | ~r + d~ | 2 qp q = 4⇡""0 qp q = 4⇡""0 r 1 d r + 2 cos ↵ 1 1 d 2r | 2 1 d cos ↵ 2 r d~ 2 # ! 1 cos ↵ ! 1+ d 2r 1 d cos ↵ 2r cos ↵ mit (1 + x)n ⇡ 1 + nx = = VQD (~r) = VQD (~r) = ✓ qp q d 1+ cos ↵ 4⇡""0 r 2r ✓ ◆ qp q d cos ↵ 4⇡""0 r r qp qd cos ↵ 4⇡""0 r2 qp µ~eµ~er 4⇡""0 r2 mit dem Dipolmoment µ = qd • Die Kraft folgt aus F~ = ~ (~r): rV [3 (~eµ~er ) ~er ~eµ ] qp µ F~ (~r) = 4⇡""0 r3 12 ◆ 4.3.3 Potential eines Dipols im Dipolfeld • Gesamtpotential ist Summe der Potentiale der beiden Einzelladungen des zweiten Dipols 2 3 VDD = V+qp + V qp = qp µ~1~er 6 1 4⇣ ⌘ ~ 2 4⇡""o ~r d2 1 7 ⇣ ⌘2 5 ~ ~r + d2 • Kann analog zu oben behandelt werden, Rechnung liefert: VDD = 1 µ ~ 1µ ~P 4⇡""o z µ1 µP ~eµ1 ~eµP = 4⇡""o ~ µ1 =µ ~P E 3 (~er · µ ~ 1 ) (~er · µ ~P ) r3 Orientierungsfaktor }| { 3 (~er · ~eµ1 ) (~er · ~eµP ) r3 Beispiele! • Bei freier Rotation muss man den Mittelwert bilden, was zu einer 1/r6 - Abhängigkeit führt 13 4.3.4 Potential Dipol und Influenzierter Dipol • Jedes Atom ist polarisierbar (Verschiebung der Ladungsdichteverteilung der Elektronen gegen den Kern) • influenzierter (induzierter) Dipol im elektrischen Feld: ~ µ ~ = ↵"o E • Damit kann man die Wechselwirkungsenergie (Potential) des influenzierten Dipols im Dipolfeld bestimmen • Wir wollen hier die exakte Form gar nicht betrachten, nur die Abhängigkeit vom Abstand r V DDi = 4.3.5 ~ = µ·E ~E ~ = ↵""o E ↵""o |E|2 / 1/r6 Sich gegenseitig influenzierende Dipole • Quantenmechanisch kann man zeigen, dass sich zwei Atome gegenseitig influenzieren können !Von-der-Waals-Anziehung • Das Lennart-Jones Potential besteht aus einem Van-der-Waals-Anziehungsterm und einem Abstoßungsterm • Abstoßung ist Quadrat des Anziehungsterms (weil es sich so schön einfach rechnet) VLJ (r) = V0 4.3.6 ✓⇣ ro ⌘12 r 2 ⇣ r ⌘6 ◆ o r Wasserstoffbrückenbindung • allgemein akzeptierter analytischer Ausdruck noch nicht gefunden • trotz gerichteteten Charakters oft als Zentralpotential genähert der Form VHH = Ar 12 Br 10 14