Anorganische Chemie 4 - Cheatsheet

Grundlagen der Komplexchemie

Definition:

Grundlagen der Koordinationsverbindungen und deren Bindungstheorie.

Details:

• Komplexion: Metallzentrum + Liganden
• Koordinationszahl (KZ): Anzahl der Liganden am Metallzentrum
• Ligandentypen: Mono-, bi-, polydentat (Anzahl der Donoratome)
• Bindungsarten: Ionisch, kovalent (Sigma- und Pi-Bindungen)
• Kristallfeldtheorie (CFT): Beschreibt Aufspaltung der d-Orbitale durch Liganden
• Stereochemie: Geometrische Anordnung der Liganden (Oktaedrisch, tetraedrisch, quadratisch-planar)

Ligandenarten und deren Bindungsverhalten

Definition:

Liganden sind Moleküle oder Ionen, die an ein Zentralatom/-ion koordinieren und das Verhalten des Komplexes bestimmen.

Details:

• Monodentat: Binden an einem Punkt; Beispiel: \text{Cl}^-, \text{NH}_3
• Bidentat: Zwei Bindungspunkte; Beispiel: \text{en} (Ethylenediamin)
• Polydentat: Mehrere Bindungspunkte; Beispiel: EDTA (Hexadentat)
• Haptizität (η): Anzahl der Atome eines Liganden, die direkt an das Zentralatom binden
• Criechelzahl (κ): Beschreibt die Anzahl der Bindungsstellen eines Liganden im Komplex
• Ligandenfeldstabilisierungsenergie (LFSE): Energiegewinn durch Besetzung von d-Orbitalen im Ligandenfeld

Metalloproteine und Enzyme

Definition:

Metalloproteine sind Proteine mit Metallionen als Cofaktoren. Enzyme sind Biokatalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen.

Details:

• Metallionen: z.B. Fe, Cu, Zn, Mg
• Aktives Zentrum: Metallion beteiligt an Katalyse-Prozess
• Beispiele: Hämoglobin (Fe), Cytochrom c (Fe), Carboanhydrase (Zn)
• Funktion: Enzyme senken Aktivierungsenergie, Metallionen stabilisieren Übergangszustände
• Koordinationschemie wichtig für Enzymfunktion

Kristallstrukturen und Gittertheorie

Definition:

Kristallstrukturen beschreiben die geordnete Anordnung von Atomen in einem Festkörper. Die Gittertheorie analysiert die räumliche Periodizität dieser Anordnung. Basisbegriffe sind Gitterpunkte, Elementarzelle und Bravais-Gitter.

Details:

• Elementarzelle: Kleinste Einheit eines Gitters, die dessen gesamte Symmetrie abbildet.
• Bravais-Gitter: 14 mögliche Gittertypen, die den Raum lückenlos ausfüllen können.
• Wichtige Kristallstrukturen: z.B. kubisch-raumzentriert (KRZ), kubisch-flächenzentriert (KFZ), hexagonal dichtest gepackt (hcp).
• Gittervektoren \[ \vec{a}, \vec{b}, \vec{c} \] beschreiben die räumliche Ausdehnung der Elementarzelle.
• Gitterparameter: Längen der Gittervektoren und Winkel zwischen ihnen ( \alpha, \beta, \gamma ).
• Packungsdichte: Verhältnis des Volumens der Atome in der Elementarzelle zum Gesamtvolumen der Zelle.
• Koordinationszahl: Anzahl der nächsten Nachbarn eines Atoms im Gitter.

Homogene und heterogene Katalyse

Definition:

Homogene Katalyse: Katalysator und Reaktanden in derselben Phase (meistens flüssig). Heterogene Katalyse: Katalysator und Reaktanden in verschiedenen Phasen (meistens Katalysator fest, Reaktanden flüssig oder gasförmig).

Details:

• Homogene Katalyse: bessere Durchmischung der Reaktanten
• Homogene Katalyse: schwerere Trennung von Katalysator und Produkt
• Heterogene Katalyse: einfachere Trennung von Katalysator und Produkt
• Heterogene Katalyse: Katalysatorreaktionsflächen oft größer (höhere Oberflächenenergie)
• Reaktionsbeispiel Homo: \[ \text{H}_{2}\text{SO}_{4} \text{ (Schwefelsäurekatalyse)} \]
• Reaktionsbeispiel Hetero: \[ \text{Pt} \text{ (Platin bei der Verbrennung von Gasen)} \]

Mechanismen metallabhängiger biologischer Prozesse

Definition:

Spezifische biologische Reaktionen, die von der Anwesenheit von Metallionen abhängen (z.B. Enzymkatalyse, Elektronentransport).

Details:

• Metallionen wie Fe, Zn, Cu, und Mg sind essentiell.
• Wirken als Kofaktoren in Enzymen, z.B. Häm in Hämoglobin.
• Metallionen können Elektronen übertragen, z.B. Cu in Cytochrom-c-Oxidase.
• Katalysieren Hydrolyse- und Redoxreaktionen, z.B. Mg im Photosystem II.
• Wichtige Metalloproteine: Superoxid-Dismutase (Cu/Zn), Alkoholdehydrogenase (Zn), Nitrogenase (Fe/Mo).
• Kräftige Bindung in aktiven Zentren erfolgt oft durch Ligandenaustausch und Koordinationssphäre.

Stabilitätskonstanten und deren Berechnung

Definition:

Maß für die Stabilität von Komplexen in Lösung, basierend auf dem Gleichgewicht zwischen freiem Liganden und Metallion und ihrem Komplex.

Details:

• Stabilitätskonstante (K): K = [Komplex] / ([Metallion] * [Ligand])
• Log K als Stabilitätsmaß oft benutzt
• Berechnung meist durch Titrationen oder spektrale Methoden
• Höhere K-Werte deuten auf stabileren Komplex hin
• Graphische Methoden wie Bjerrum-Plots können genutzt werden

Phasendiagramme und Phasenumwandlungen

Definition:

Phasendiagramme: Diagramme zur Darstellung der Phasenzustände eines Stoffes in Abhängigkeit von Temperatur und Druck. Phasenumwandlungen: Übergänge zwischen den verschiedenen Phasen eines Stoffes.

Details:

• Achsen: x = Temperatur (T), y = Druck (P)
• Phasen: fest, flüssig, gasförmig
• Tripelpunkt: Punkt, an dem drei Phasen im Gleichgewicht sind
• Kritischer Punkt: Punkt, ab dem Gas und Flüssigkeit nicht mehr unterscheidbar sind
• Clausius-Clapeyron-Gleichung: \[ \frac{dP}{dT} = \frac{L}{T \Delta V} \]
• Beispiele für Phasenumwandlungen: Schmelzen, Verdampfen, Sublimation