Anorganische Chemie vertieft - Cheatsheet

Ligandfeldtheorie und Komplexstabilität

Definition:

Ligandfeldtheorie beschreibt die Wechselwirkung zwischen Liganden und dem Zentralmetall in einem Komplex. Komplexstabilität bezieht sich auf die Stabilität dieser Verbindungen in Lösung.

Details:

• Liganden erzeugen ein elektrisches Feld, das die d-Orbitale des Zentralmetalls spaltet.
• Oktaedrische und tetraedrische Felder haben unterschiedliche Aufspaltungsmuster (z.B. \Delta_o vs. \Delta_t).
• Spectrochemische Serie: Liganden werden nach ihrem Einfluss auf die d-Orbital-Aufspaltung geordnet.
• High-Spin vs. Low-Spin Komplexe: Hängt von der Größe von \Delta_o und der Spin-Paarungsenergie ab.
• Chelat-Effekt: Stabilität hoch für Komplexe mit mehrzähnigen Liganden.
• Irving-Williams-Reihe: Stabilitätsserie der Komplexe von Übergangsmetallen (Mn²⁺ < Fe²⁺ < Co²⁺ < Ni²⁺ < Cu²⁺ > Zn²⁺).

Defektchemie und Nichtstöchiometrie in Festkörpern

Definition:

Defektchemie untersucht die Abweichungen von der perfekten Kristallstruktur in Festkörpern. Nichtstöchiometrie beschreibt Abweichungen vom idealen stöchiometrischen Verhältnis.

Details:

• Defekte beeinflussen elektronische, optische und mechanische Eigenschaften.
• Arten von Defekten: Punktdefekte (Vakanz, Zwischengitteratome), Liniendefekte (Versetzungen), Flächendefekte (Korngrenzen), Volumendefekte (Poren).
• Nichtstöchiometrie kann durch Leerstellen (Kationen-/Anionenmangel) oder Zwischengitteratome entstehen.
• Ladungskompensation durch Bildung von Defekten oder Änderung der Oxidationsstufen.
• Defektreaktionen beschreibbar durch Massenerhaltungs- und Ladungsneutralitätsgesetze.
• Gleichgewichtsdefektkonzentration dargestellt durch Arrhenius-Gleichung: \[ n = n_0 \, \text{exp}(-\frac{E_d}{kT}) \]
• Wichtige Begriffe: Frenkel-Defekt, Schottky-Defekt, Elektronendichte.

Elektronische Eigenschaften von Feststoffen, insbesondere Halbleiter

Definition:

Elektronische Eigenschaften von Feststoffen beziehen sich auf das Verhalten von Elektronen innerhalb des Materials. Halbleiter sind eine Klasse von Feststoffen, die unter bestimmten Bedingungen als Leiter oder Nichtleiter funktionieren können.

Details:

• Halbleiter leiten Strom nur unter bestimmten Bedingungen, z.B. durch Dotierung oder Temperaturänderung.
• Valenzband und Leitungsband: Die Elektronen bewegen sich im Leitungsband; zwischen diesen Bändern liegt die Bandlücke (\textit{band gap}).
• Typische Halbleiter: Silicium (Si), Germanium (Ge).
• Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der Leitfähigkeit. Arten: n-Dotierung (Elektronenüberschuss) und p-Dotierung (Elektronenmangel).
• Bandlückenenergie (\textit{E_g}): Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband.
• \textit{n-Typ} und \textit{p-Typ} Halbleiter: Unterschiedliche Arten der Dotierung bestimmen die Art der Ladungsträger (Elektronen bei n-Typ, Löcher bei p-Typ).
• \textit{Fermi-Niveau}: energetische Zustand, bei dem die Wahrscheinlichkeit der Besetzung eines Zustandes 50% beträgt.
• Eigenleitung und Störstellenleitung: Eigenleitung durch thermische Anregung von Elektronen, Störstellenleitung durch dotierte Atome.
• Wichtige Anwendungen: Dioden, Transistoren, Solarzellen.

Röntgenkristallographie zur Strukturaufklärung

Definition:

Methode zur Bestimmung der dreidimensionalen Anordnung von Atomen in kristallinen Festkörpern durch Beugung von Röntgenstrahlung.

Details:

• Röntgenstrahlung trifft auf Kristall, wird gebeugt
• Beugungsmuster analysiert
• Bragg-Gleichung: \[ n \lambda = 2d \sin \theta \]
• Elektronendichtekarte erstellt
• Atome im Kristall lokalisiert

Isomerie und Stabilitätskonstanten von Koordinationsverbindungen

Definition:

Isomerie bezieht sich auf die Existenz von Verbindungen mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Struktur. Stabilitätskonstanten beschreiben das Gleichgewicht zwischen Bildung und Zerfall von Koordinationsverbindungen in Lösung.

Details:

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  • Isomerie-Typen: Strukturisomerie, Stereoisomerie
  • Strukturisomerie: Kettenisomerie, Stellungsisomerie
  • Stereoisomerie: Geometrische Isomerie, Optische Isomerie
  • Geometrische Isomerie: cis-trans, fac-mer
  • Stabilitätskonstanten (K_stab): Quantifizieren die Affinität eines Liganden zum Zentralatom
  • Berechnung von K_stab:
  • \(\text{K}_{\text{stab}} = \frac{[\text{ML}]}{[\text{M}][\text{L}]}\)
  • Größere Werte von K_stab deuten auf höhere Stabilität hin

  Übergangsmetallkatalysatoren und ihre Mechanismen

  Definition:

  Übergangsmetallkatalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen durch vorübergehende Bildung von Übergangszuständen mit niedrigeren Aktivierungsenergien.

  Details:

  • Transition-State-Theorie: Katalysatoren senken die Aktivierungsenergie.
  • Häufige Übergangsmetalle: Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Rh.
  • Spezifische Mechanismen: oxidative Addition, Reduktive Elimination, migratorische Insertionsreaktionen.
  • Homogene vs. Heterogene Katalyse: Homogen (in Lösung) vs. Heterogen (auf Oberfläche).
  • Beispielreaktion: Suzuki-Kupplung (Pd-katalysiert).
  • Katalysatoren können regeneriert werden und mehrmals verwendet werden.

  Bindungstheorien: Valence-Bond- und Molekülorbital-Theorie

  Definition:

  Bindungstheorien: Valence-Bond- und Molekülorbital-Theorie - Konzepte zur Beschreibung chemischer Bindungen in Molekülen, basierend auf Elektronenpaaren und Orbitalüberlappungen bzw. delokalisierten Elektronenzuständen.

  Details:

  • Valence-Bond-Theorie (VB): Bindungen durch Überlappung von Atomorbitalen, Elektronenpaarbildung, lokale Bindungssicht.
  • Molekülorbital-Theorie (MO): Bindungen durch Kombination von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen, Delokalisierung von Elektronen über das gesamte Molekül.
  • VB beschreibt Bindungen spezifisch zwischen Atomen, MO ermöglicht Erklärung von Konjugationssystemen und Resonanz.
  • VB verwendet Hybridisierung zur Erklärung von Geometrien, MO erklärt diatomare Bindungen und magnetische Eigenschaften.
  • MO: Bindungs- und antibindende Orbitale, Überlappungsintegrale und Energieniveaus.
  • Wichtige Formeln: \[\psi = c_1 \phi_A + c_2 \phi_B\], Energieeigenwerte: \[E = \frac{(c_1^2 + c_2^2) \langle \phi_i | H | \phi_i \rangle + 2c_1c_2 \langle \phi_A | H | \phi_B \rangle}{c_1^2 + c_2^2}\]

  Stereochemie und chirale Komplexe

  Definition:

  Stereochemie: Studium der räumlichen Anordnung von Atomen in Molekülen. Chirale Komplexe: Komplexe mit nicht-überlagerbaren Spiegelbildern.

  Details:

  • Chiralität: Molekül nicht deckungsgleich mit Spiegelbild; oft an Asymmetrische Kohlenstoffatome (\textit{chirale Zentren}) gebunden.
  • Enantiomere: Paar von chiralen Molekülen, Spiegelbildisomere.
  • R,S-Nomenklatur zur Kategorisierung der Enantiomere.
  • Optische Aktivität: Drehung des polarisierten Lichtes durch chirale Verbindungen.
  • Stereozentren: Atome, deren Austausch zu verschiedenen Stereoisomeren führt.
  • Räumliche Anordnung: Einfluss auf Reaktionsverhalten und biologische Aktivität.
  • Komplexbildung: Chiralität häufig durch Ligandenanordnung beeinflusst.
  • Optische Reinheit: Verhältnis von Enantiomeren in einer Mischung.