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Chemie für Quereinsteiger - Band 2 - Nichtmetall-Atome: Verknüpfung zu Molekülen und Gittern - Verknüpfung von Nichtmetall-Atomen verschiedener Art
6.3.3 Einfache Molekülstrukturen

Wie bei den Molekülen, die nur aus einer Atomart zusammengesetzt sind, erhält man auch bei unterschiedlichen Atomsorten mit wachsender Anzahl von Atomen immer mehr und kompliziertere Bauformen: Die Vielfältigkeit ist nahezu unerschöpflich. Daher wählen wir einige sehr häufig vorkommende Bauformen beispielhaft aus, um die grundsätzlichen Kombinationsmöglichkeiten herauszustellen und mit geeigneten Symbolen zu beschreiben.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es eine ganze Reihe von Molekülen gibt, die wir mit unserem Kombinationssystem, also unserem modellartig gewählten System der Normbindefähigkeiten, nicht beschreiben können. Diese Molekülstrukturen, bei denen es sich vielfach um Kombinationen von Metall-Atomen oder Metall-Ionen und fertigen Molekülen handelt, sind nur mit einer komplexeren Beschreibung der Bindungsverhältnisse zu systematisieren. Nach Ausschöpfung unserer Kombinationsmöglichkeiten, mit denen wir etwa 90% der für uns gängigen Substanzen erreichen, werden wir später unsere Beschreibungsmethode der Teilchenkombinationen entsprechend erweitern.

In unserem Kombinationssystem mit gerichteten Normbindefähigkeiten kann man die folgende Auswahl von Strukturen erhalten, diese Auswahl führt von einfachen zu komplizierteren Strukturen.

1. Hanteln, zwei Atome

Bei der Kombination jeglicher Teilchensorten innerhalb der 7. Hauptgruppe kann man Hanteln mit Einfachbindung erhalten, die bekanntesten sind diejenigen mit H-Atomen als Partner (vgl. (1) in Abb. 6.11). Man denke aber daran, daß man nicht immer Hanteln erhalten muß: beispielsweise lassen sich an ein einziges I-Atom im Zustand der maximalen Bindefähigkeit sieben F-Atome knüpfen. Kombiniert man allerdings konsequent zwei Atome so erhält man immer eine Hantel: HF, HBr, HI, ClBr oder IBr sind Beispiele. Es ist einsichtig, daß der Praktiker meistens die Summensymbole zur Information benützt.

2. Doppelhanteln, drei Atome, lineare Konstruktion

Die bekannteste Doppelhantel ist das CO2-Molekül, die Kombination aus einem C-Atom und zwei O-Atomen (vgl. (2) der Abb. 6.11). Weitere Beispiele sind die Kombinationen aus einem H-Atom, einem C-Atom und einem N-Atom oder aus zwei N-Atomen und einem O-Atom: HCN- und N2O-Moleküle.

3. Winkel, drei Atome, nicht lineare Konstruktion

Der nahezu jedem bekannte Winkel ist der “Wasserwinkel”, das gewinkelte H2O-Molekül des Wassers, bestehend aus zwei H-Atomen und einem O-Atom (vgl. (3) in Abb. 6.11). Bei der so einfachen Struktur und einem oft verwendeten Molekül wird meistens nur das Summensymbol H2O verwendet.



Abb. 3.13

Abb. 6.11: Einfache Molekülstrukturen aus verschiedenartigen Atomen: Hanteln, Doppelhanteln, Winkel, Dreiecke, Pyramiden, Tetraeder und Oktaeder


Das O-Atom gehört in die 6. Hauptgruppe. Die Kombination von H-Atomen mit Verwandten des O-Atoms, die ebenfalls je zwei gewinkelte Normbindefähigkeiten betätigen können, führt insofern wiederum zu winkligen Molekülen. Das Laborergebnis bestätigt das an Beispielen wie H2S oder H2Se (vgl. (3) in Abb. 6.11).

Allgemein wird man auf jeden Fall Winkel erhalten, wenn man Atome der 6. Hauptgruppe im Zustand der minimalen Bindefähigkeit mit Atomen der 7. Hauptgruppe im Zustand der minimalen Bindefähigkeit kombiniert, etwa zum Cl2O-Molekül (3). Das Molekül mit dem Summensymbol Cl2O dürfte aber allgemein nicht so bekannt sein, daß die Information ohne Strukturangabe ausreicht.

4. Ebene Dreiecke, vier Atome, Zentrum besetzt

In diesem Fall umgibt sich ein Zentral-Atom mit drei Atomen, die gegeneinander den durchschnittlichen Winkel von 120° einnehmen. Das Molekül ist eben und von oben gesehen ein regelmäßiges Dreieck. Folgende Beispiele seien herausgegriffen (vgl. (4) in Abb. 6.11):

1 S-Atom und 3 O-Atome: SO3
1 C-Atom, 1 O-Atom und 2 Cl-Atome: COCl2
1 B-Atom und 3 Cl-Atome: BCl3
1 C-Atom, 1 O-Atom und 2 H-Atome CH2O oder HCHO

Die Summensymbole lassen nicht einmal erkennen, welches Atom das Zentral-Atom ist, welches Atom mit welchem verknüpft ist. Nur Kenner der Moleküle können allein mit den Summensymbolen sinnvoll kommunizieren.

5. Pyramiden, vier Atome, ohne Besetzung des Zentrums

Die bekannteste niedrige Pyramide bildet ein N-Atom, an das drei H-Atome angeknüpft sind, ihr Name ist Ammoniak-Molekül (vgl. (5) in Abb. 6.11). Die Struktur ist allgemein so bekannt, daß das Summensymbol NH3 gängiges Informationssymbol ist.

In der Regel werden solche Pyramiden gebildet, wenn man Atome der 5. Hauptgruppe im Zustand ihrer minimalen Bindefähigkeit mit Atomen der 7. Hauptgruppe im Zustand ihrer minimalen Bindefähigkeit koppelt. Es ist herauszustellen, daß mit diesem einen Satz etwa 80 verschiedene Pyramidenförmige Moleküle beschrieben werden können (vgl. (5) in Abb. 6.11).

6. Tetraeder, fünf Atome, mit Besetzung des Zentrums

Als bekanntester Tetraeder gilt ein C-Atom mit vier angekoppelten H-Atomen: die Konstruktion heißt Methan-Molekül, das Summensymbol lautet CH4 (vgl. (6) in Abb. 6.11).

Diese Tetraeder werden vor allem von den C-, Si- und Ge-Atomen der 4. Hauptgruppe mit Atomen der 7. Hauptgruppe im Zustand der minimalen Bindefähigkeit gebaut. Dieser Zusammenhang hat bis zu 108 verschiedene Tetraeder-förmige Moleküle zur Folge, wenn man alle Kombinationen mit H-, F-, Cl-, Br- und I-Atomen in Betracht zieht. Auch Xe-Atome der 8. Hauptgruppe bilden mit jeweils vier O-Atomen einen Tetraeder (vgl. (6) in Abb. 6.11).

7. Oktaeder, sieben Atome, mit Besetzung des Zentrums

Grundsätzlich müßte man mit den Atomen der 6. Hauptgruppe im Zustand der maximalen Bindefähigkeit zusammen mit Atomen der 7. Hauptgruppe im Zustand der minimalen Bindefähigkeit regelmäßige Oktaeder erhalten. Bei den Atomen S, Se, Te ist dies mit F-Atomen auch möglich: so sind beispielsweise SF6-Oktaeder bekannt (vgl. (7) in Abb. 6.11). Andere Halogen-Atome lassen sich teilweise in einen Oktaeder mit einbauen, solange die vorhandenen F-Atome den Zustand der maximalen Bindefähigkeit des Zentrum-Atoms aufrecht erhalten. Soweit das Summensymbol SF6 als Oktaeder bekannt ist, wird es gerne als Kurzinformation verwendet.

8. Ketten.

Um die ungeheure Vielfalt dieser Konstruktionsmöglichkeiten überblickbar zu machen, wählen wir anhand der Hauptgruppen einige Beispiele aus, die beliebig zu erweitern sind.

6. Hauptgruppe. Die Abneigung der O-Atome, Ketten zu bilden, bleibt auch erhalten, wenn man andere Atome mit heranzieht. Eine bekannte Minikette aus zwei O-Atomen und je einem H-Atom an den Enden heißt Wasserstoffperoxid-Molekül, das Summensymbol lautet H2O2. Das Struktursymbol zeigt, daß die vier Atome zueinander gewinkelt angeordnet sind (vgl. (1) in Abb. 6.12). Die gleichen Ketten existieren für S-Atome, wobei die Anzahl der S-Atome bis acht betragen kann. Die Summensymbole H2S2 oder H2S5 können verallgemeinert werden zu H2Sn, wenn man damit alle Ketten bezeichnen will. Der kleine Index n bedeutet dann eine unbestimmte Zahl bis maximal acht, die für das jeweilige Molekül wählbar ist.

Was die O-Atome allein nicht können, bringen sie zusammen mit S-Atomen zustande: S-Atome und O-Atome können sich abwechselnd zu Zickzackketten verknüpfen, wobei zusätzlich an jedes S-Atom zwei weitere O-Atome gebunden werden (vgl. (2) in Abb. 6.12). Somit ist jedes S-Atom eigentlich mit vier O-Atomen tetraedrisch verknüpft: das S-Atom betätigt seine maximale Anzahl von sechs Bindefähigkeiten und sitzt jeweils im Zentrum des von den O-Atomen gebildeten Tetraeders. Die Kette kann beliebig lang sein, Tausende von S-Atomen lang. Im Struktursymbol gibt man nur einige S-Atome umgeben von O-Atomen an, damit der Betrachter eine Vorstellung besitzt, wie es weitergeht.

Zur Bildung eines Summensymbols trennt man die kleinste Einheit der Kette heraus, die sich immer wiederholt, und klammert sie ein. Ein kleiner tiefgestellter Index “viel” (n, x, y oder ähnliches) dient der Information “lange Kette”. Das sich wiederholende Teilstück ist in unserem Falle das S-Atom mit drei O-Atomen, wenn wir immer zwischen dem S- und O-Atom abschneiden. Das Summensymbol lautet dann (SO3)n. Dieses Summensymbol darf man nicht mit dem Summensymbol des kleinen, flachen, dreiecksfömigen Moleküls SO3 verwechseln! Wer das Struktursymbol verwendet, vermeidet solche unliebsamen Verwechslungen.

5. Hauptgruppe. Eine seltene Kette ist die Kopplung von 8 N-Atomen, an die noch C- und H-Atome geknüpft sind (vgl. (3) in Abb. 6.12). Sie soll der Übersicht halber aber nicht vergessen sein, das Summensymbol lautet C4H12N8.

Zu riesigen Ketten lassen sich N- und P-Atome verknüpfen, wenn an das P-Atom noch jeweils zwei Cl-Atome gebunden sind (vgl. (4) in Abb. 6.12). Die P-Atome betätigen dabei die maximale Bindefähigkeit 5 und die N-Atome die minimale Bindefähigkeit 3. Nach Absättigung zweier Bindefähigkeiten durch die beiden Cl-Atome verbleiben dem P-Atom zur Bindung seiner beiden Nnachbarn noch drei Bindefähigkeiten, ebenfalls wie einem N-Atom zur Bindung seiner beiden P-Nachbarn. Die drei Normbindefähigkeiten sowohl an den P-Atomen als auch an den N-Atomen werden zu zwei gleichmäßigen Bindungen mit einem Bindungsgrad von 1,5 gebündelt, so daß die Bindekräfte von P-Atom zu N-Atom und damit alle Abstände gleichgroß sind. Auf diese Weise sitzt jedes P-Atom im Zentrum eines Tetraeders, der von je zwei Cl-Atomen und zwei N-Atomen gebildet wird.



Abb. 3.13

Abb. 6.12: Molekülstrukturen in Form von Ketten

Es bleibt die Frage, wie wir im Struktursymbol den Bindungsgrad 1,5 eintragen wollen. Entweder wir schreiben die Zahl 1,5 über die Bindung: damit ist die Information auch für den Außenstehenden eindeutig. Oder wir geben die Bindungen abwechselnd mit Einfach- und Doppelbindung in der Art an, als hätten die P- und N-Atome ihre Bindefähigkeiten nicht gebündelt: also anstelle 1,5 - 1,5 - 1,5 usw. 1,0 - 2,0 -1,0 - 2,0 usw. Diese Informationsart ist einfacher, aber ungenau. Sie ist für den Kenner gedacht, der den Sachverhalt überblickt, nicht aber als Erstinformation für Anfänger. Zur Erstellung des Summensymbols suchen wir wieder den kleinsten sich wiederholenden Strukturteil in der Kette: ein P-, ein N-Atom und zwei Cl-Atome. Eingeklammert und mit einem Index versehen ergibt sich (PNCl2)n (vgl. (4) in Abb. 6.12).

4. Hauptgruppe. Für die C-Atome scheint die Kettenbildung ein besonderes Vergnügen zu sein. Wir können formulieren, daß es für sie “nichts gibt, was es nicht gibt”. Besonders bekannt sind die anhand von Einfachbindungen verknüpften C-Atome zu Zickzackketten (vgl. (5) in Abb. 6.12). Mit Geschick könnte man aus einem Diamantgitter solche Ketten herausisolieren. Von den vier Normbindefähigkeiten eines C-Atoms werden zwei zur Kettenbildung mit den beiden Nachbar-Atomen beansprucht. Zwei Bindefähigkeiten bleiben frei, an die im einfachsten Falle Atome der 7. Hauptgruppe geknüpft werden können. An den C-Atomen der beiden Enden der Kette steht zusätzlich noch die Bindefähigkeit zur Verfügung.

Bilden wir gedanklich verschiedene Ketten, die bis zu Tausenden von C-Atomen lang sein können, und setzen an alle freie Bindefähigkeiten H-Atome, so entstehen die verschieden langen Ketten verschiedener Moleküle, deren zugeordnete Substanzen den Sammelnamen Kohlenwasserstoffe tragen.

Die längste Kette mit unbestimmter Anzahl von C-Atomen führt zum bekannten Kunststoff Polyethen. Sie stellt, wie die in den vorhergehenden Abschnitten vorgestellten Kettenmoleküle, ein Riesenmolekül dar. Riesenmoleküle gleich welcher Bauart werden als Makromoleküle bezeichnet (griech. makros: groß). Zur Bildung des Summensymbols schneiden wir das sich immer wiederholende Stück eines C-Atoms mit zwei daran gebundenen H-Atomen heraus (vgl. (5) in Abb. 6.12). Eingeklammert und mit dem Index “viel” versehen erhalten wir (CH2)n. Atome an den Enden sind dabei nicht berücksichtigt.

Bei kürzeren Kohlenwasserstoffketten dieser Art werden auch die H-Atome an den Enden im Summensymbol mit angegeben. Die Anzahl der H-Atome in solch einem Molekül ist demnach immer doppelt so groß wie die Anzahl der C-Atome, dazu die beiden H-Atome an den Enden: das Summensymbol für die ganze Klasse der Kohlenwasserstoffe lautet CnH2n+2. Die Klammer bleibt nun weg, weil es sich um ganze, fertige Moleküle handelt, und nicht um Molekülausschnitte, die sich immer wiederholen.

Das Beispiel für ein Molekül aus dieser Familie mit der “Kettenlänge” n = 3 (es werden nur die C-Atome gezählt), ist das Propan-Molekül C3H8: wir haben es zur Erläuterung unserer Struktur- und Summensymbole verwendet (vgl. (1) in Abb. 6.10). Der kleinste Vertreter aus der Familie besitzt die “Kettenlänge” eins, also nur ein C-Atom: es ist das Methan-Molekül.

Fügt man an die C-Atome einer beliebig langen Zickzackkette anstelle der H-Atome nur F-Atome, dann erhält man ein Makromolekül, das zum Kunststoff “Teflon” führt: Summensymbol (CF2)n (vgl. (5) in Abb. 6.12).

C-Ketten können auch beliebig “verzweigt” sein. Das bedeutet, daß an einem mittleren C-Atom der Kette ein weiteres C-Atom angefügt wird. Dieses kann durch stetiges weiteres Anknüpfen zur beliebig langen Seitenkette werden. Weiterhin können einzelne C-Atome durch Doppelbindungen oder Dreifachbindungen verbunden werden, man kann zwischen die C-Atome regelmäßig O-, S- oder N-Atome einfügen, der Phantasie in der Kombinationstechnik scheinen hier keine Grenzen gesetzt. Die gesamte Systematik dieser vielseitigen Kombinationstechnik wird in den Lehrbüchern der Organischen Chemie dargelegt. Die Organische Chemie könnte auch „Kohlenstoffchemie“ oder „Chemie der Kombinatorik von C-Atomen“ heißen.

Brückenatome. Zur Kurzinformation seien Struktursymbole von Makromolekülen angegeben, die zwischen den C-Atomen Brückenatome enthalten. So sind beispielsweise in einer Polypeptidkette N-Atome als Brückenatome zwischen zwei C-Atome eingebaut (vgl. (6) in Abb. 6.12).

Si-Atome verknüpfen sich nicht in dem Ausmaß wie C-Atome, aber lassen sich über O-Atome als Brücken beliebig zusammensetzen. Eine häufig vorkommende Konstruktion enthält an jedem Si-Atom zwei weitere O-Atome mit bereits gekoppeltem H-Atom, zwei OH-Gruppen. Somit ist das Si-Atom von den O-Atomen tetraedrisch umgeben. Der sich wiederholende Abschnitt des Makromoleküls besteht aus einem Si-Atom, an das zwei OH-Gruppen und ein O-Atom gekoppelt sind (vgl. (7) in Abb. 6.12). Das Summensymbol lautet daher (H2SiO3)n. Dieses Summensymbol läßt natürlich nicht erkennen, daß die beiden H-Atome an je ein O-Atom geknüpft sind. Wenn wir im Summensymbol trotzdem darauf aufmerksam machen wollen, daß jeweils zwei OH-Gruppen vorhanden sind, können wir durch Einklammern der OH-Gruppe diese wie ein einziges Buchstabensymbol behandeln. Durch Anbringen eines kleinen Zahlenindexes rechts unten wird informiert, wie viele OH-Gruppen es sein sollen. Damit man die verschiedenen Klammern nicht verwechselt, können unterschiedliche Formen von Klammern verwendet werden. Das Summensymbol für das Makromolekül sieht demnach folgendermaßen aus: [SiO(OH)2]n.

In dem eben beschriebenen Makromolekül können wir die OH-Gruppen entfernen und durch andere Atomgruppen ersetzen. Wir nennen den Vorgang “etwas wegnehmen und dafür etwas anderes hinknüpfen” Substitution. Als Atomgruppe nehmen wir ein Methanmolekül CH4, dem ein H-Atom fehlt. Der ursprüngliche CH4-Tetraeder ist nun zur flachen CH3-Pyramide mit einer freien Bindefähigkeit geworden, zu einer -CH3-Gruppe.

Substituieren wir nun die OH-Gruppen durch CH3-Gruppen, so führt dies zu den Makromolekülen der Kunststoffe mit Namen “Silicone” (vgl. (8) in Abb. 6.12). Dieser Name Silicon für einen Kunststoff ist nicht zu verwechseln mit dem englischen Wort “Silicon” für Silicium!

9. Ringe

Der Ringbildung sind ebenso wie bei der Kettenbildung kaum Grenzen gesetzt. Orientieren wir uns wieder an den Hauptgruppen. Die Halogen-Atome der 7. Hauptgruppe sind als Ringbildner nicht geeignet und werden nicht diskutiert.

6. Hauptgruppe. So wie die S- und O-Atome in abwechselnder Reihenfolge Ketten bilden, können auch Ringe geschlossen werden, wenn am S-Atom noch je zwei zusätzliche O-Atome angeknüpft sind. Der bekannteste Ring besteht aus drei O-Atomen und drei S-Atomen, die sesselförmig angeordnet sein können (vgl. (1) in Abb. 6.13).

So ist jedes S-Atom von zwei “Ring”-O-Atomen und von zwei zusätzlich gebundenen O-Atomen tetraedrisch umgeben. Die Tetraeder sind allerdings etwas verzerrt, weil der Bindungsabstand im Ring größer ist als der Bindungsabstand zu den zusätzlich am S gebundenen O-Atomen. Das bedeutet, daß wir die Bindung im Ring mit einer Einfachbindung und die vom zu jedem zusätzlichen O-Atom mit einer Doppelbindung beschreiben können. Die S-Atome betätigen demnach sechs, die O-Atome zwei Bindefähigkeiten.

Als Summensymbol resultiert S3O9. Wir können aber auch den Ring in sich wiederholende Teilstücke zerlegen, die dann in Klammern mit einem kleinen Index versehen werden. Das sich wiederholende Stück ist ein S-Atom mit drei O-Atomen: daher erhält das Molekül auch häufig das Summensymbol (SO3)3.



Abb. 3.13

Abb. 6.13: Molekülstrukturen in Form von Ringen

Einen nahezu kuriosen Ring können vier S-Atome mit vier N-Atomen bilden (vgl. (2) in Abb. 6.13). Die Vermutung liegt zunächst nahe, einen abwechselnd mit N-Atomen substituierten S8-Ring vorliegen zu haben. Das ist aber nicht der Fall. Die S-Atome sind tetraedrisch angeordnet. Stellt man sich diesen Tetraeder mit zwei Kanten parallel zur Papierebene aufgestellt vor, dann überbrücken die vier N-Atome die weiteren vier Kanten des Tetraeders. Die Abstände im Ring zwischen den N- und S-Atomen sind alle gleich.

Wie ist dieser Ring anhand unseres Systems der Kopplung von Normbindefähigkeiten zu erhalten? Wir nehmen zunächst an, daß zwei S-Atome im Ring die mittlere Anzahl von vier Normbindefähigkeiten betätigen, zwei S-Atome die minimale Anzahl von zwei, die vier N-Atome die Normbindefähigkeit drei. Alle vier S-Atome zusammen besitzen demnach zwölf Normbindefähigkeiten, alle vier N-Atome zusammen ebenfalls zwölf: die Atome müssen sich also anstandslos koppeln lassen (vgl. (3a) in Abb. 6.13). Die eingezeichneten Bindungen signalisieren aber verschieden lange Bindungsabstände, vier kurze für Doppelbindungen und vier lange für Einfachbindungen! Das stimmt allerdings nicht mit den Meßdaten überein: Sie besagen, daß alle Abstände von Atom zu Atom im Ring sind gleich lang sind. Gleicher Abstand bedeutet jedoch gleicher Normbindungsgrad zwischen allen Ring-Atomen - offensichtlich haben die Atome ihre Normbindefähigkeiten wieder gebündelt: Das ist immer dann wahrscheinlich, wenn in einem Ring, einem Ringsystem oder in Ketten die ganzzahlig beschreibenden Normbindungsgrade mit den gemessenen Abständen nicht im Einklang sind.


In diesen Fällen sind die Normbindungsgrade zu mitteln, denn an den Messungen der Abstände, die zwischen einer Einfachbindung und einer Doppelbindung liegen, ist nicht zu rütteln. In unserem Beispiel teilen die vier S-Atome ihre zwölf Normbindefähigkeiten gleichmäßig unter sich auf: Jedes S-Atom erhält drei Normbindefähigkeiten, so daß jedem Bindungsnachbarn 1,5 Normbindefähigkeiten entgegengebracht werden können. Da jedes N-Atom schon drei Bindefähigkeiten mitbringt, kann es ebenfalls mit 1,5 Normbindefähigkeiten je einen Nachbarn binden. Alle acht Bindungen im Ring besitzen dann den Normbindungsgrad 1,5 (vgl. (3b) und (3c) in Abb. 6.13). Das beschreibt die Meßwerte unserer Bindungsabstände richtig, wobei es nicht auf die Größe des Bindungsgrades ankommt, sondern darauf, daß alle Bindungsgrade gleich sind.

Welches der abgebildeten Struktursymbole 3a, 3b oder 3c ist nun “richtig”? Das Beispiel des S4N4-Ringes zeigt deutlich, daß es bei der Beschreibung der Moleküle anhand von Struktursymbolen nicht generell um eine Frage “richtig oder falsch” geht, sondern um die Frage “zweckmäßig oder unzweckmäßig”. Denn derjenige, der das Molekül anhand von Struktursymbolen beschreiben will, muß ja das Molekül vorher sehr genau kennen. Es bleibt lediglich die Frage, ob es gelingt, mit den zur Verfügung stehenden Mitteln die gewünschte Information zu schaffen.


Will man über ganzzahlige Normbindefähigkeiten der einzelnen Ring-Atome informieren, wird man das Struktursymbol (3a) wählen. Soll jedoch über Symmetrieeigenschaften des Moleküls und damit über gleichgroße Bindungsgrade informiert werden, wählt man das Struktursymbol (3b) oder (3c). Für noch genauere Informationen wird man in die Symbole zusätzlich Bindungsabstände und Winkel hineinschreiben und vielleicht noch einen Text dazu verfassen. Die Summensymbole S4N4 oder (SN)4 sind jedenfalls so weit verkürzte Symbole, daß sie über die diskutierten Strukturaspekte gar nicht mehr informieren.

In einem weiteren Beispiel (vgl. (4) in Abb. 6.13) setzen sich drei S-Atome und drei N-Atome zu einem ebenen Ring zusammen, wobei an jedes S-Atom noch ein Cl-Atom geknüpft ist. Die S- und N-Atome wechseln sich ab, die S-Atome betätigen vier Normbindefähigkeiten, die N-Atome drei: ein Struktursymbol mit abwechselnder Einfach- und Doppelbindung zeigt (4a). Auch hier wieder dasselbe Beschreibungsproblem: Im Labor sind gleiche Bindungsabstände gemessen worden, die Normbindefähigkeiten sind zu bündeln, es resultiert Struktursymbol (4b). Das Summensymbol wird mit N3S3Cl3 oder (NSCl)3 angegeben.

5. Hauptgruppe. Völlig gleichartig wie sich N3S3Cl3 zusammensetzt, lassen sich anstelle der S-Atome P-Atome in den Ring einbauen: drei P-Atome und drei S-Atome sind abwechselnd angeordnet, an jedes P-Atom sind allerdings zwei Cl-Atome gebunden (vgl. (5a) in Abb. 6.13). Der Ring ist eben, alle Bindungsabstände im Ring sind gleich, die P-Atome betätigen fünf und die N-Atome drei Normbindefähigkeiten. Für die Bindungen im Ring bleiben dem P-Atom noch drei Bindefähigkeiten, da zwei bereits durch die Cl-Atome abgesättigt sind. Sowohl am P-Atom als auch am N-Atom werden die drei Normbindefähigkeiten zu zwei 1,5 Normbindefähigkeiten gebündelt (vgl. (5b) in Abb. 6.13). Damit erhält man im Ring zwischen allen Atomen Bindungen mit einem Bindungsgrad von 1,5 und hat im Struktursymbol die gemessenen gleichlangen Bindungsabstände berücksichtigt. Das Summensymbol wird angegeben mit N3P3Cl6 oder (NPCl2)3 (vgl. auch (NPCl2)n in (4) der Abb. 6.12).

Zur Ringbildung mit N-Atomen lassen sich auch B-Atome heranziehen. Das Bor steht in der 3. Hauptgruppe und ist eigentlich mit dem Aluminium verwandt. Aber ebenso, wie auf der rechten Seite des Periodensystems der Charakter der Elemente einer Hauptgruppe von oben nach unten den Metallen ähnlicher wird, so werden auf der linken Seite die Elemente nach oben hin zunehmend den Nichtmetallen ähnlich. Das B-Atom kann also in vielen Fällen drei gerichtete Bindefähigkeiten betätigen und verhält sich wie ein Atom, das zu den Nichtmetall-Atomen rechts im Periodensystem zählt.

Wie bei den Ringkombinationen zwischen N- und S-Atomen oder N- und P-Atomen bilden drei B- und drei N-Atome abwechselnd zusammengesetzt einen ebenen, gleichmäßigen Sechserring (vgl. (6) in Abb. 6.13). In diesem Beispiel bleibt jeweils eine Normbindefähigkeit an jedem B- und jedem N-Atom in die Ebene des Ringes gerichtet offen. Wenn wir an diese sechs Bindefähigkeiten H-Atome knüpfen, erhalten wir ein völlig flaches Molekül. Die Abstände zwischen B- und N-Atomen sind alle gleich, die Bindungswinkel im Ring alle 120°.

Die Meßdaten des Moleküls sind klar, die Molekülstruktur ist klar. Lediglich die Beschreibung der Bindekräfte anhand von Symbolen macht wie bei den vorangegangenen Beispielen Kopfzerbrechen. Wenn wir den N-Atomen zunächst je fünf und den B-Atomen je drei Normbindefähigkeiten zuordnen, und jeweils acht Bindefähigkeiten auf beide Atomsorten gleich verteilen, so ist eine Beschreibung mit dem Symbol (6a) möglich. Allerdings würde diese Beschreibung gegen die Meßdaten verstoßen, die gleiche Abstände und Winkel fordern. Wir werden die Bindekräfte wie zuvor bündeln müssen. Da zur Ringbildung sowohl das B-Atom als auch das N-Atom drei Normbindefähigkeiten beisteuert, lassen sie sich zu Bindungen mit dem Bindungsgrad 1,5 bündeln. Dem Symbol (6b) ist zu entnehmen, daß gleiche Bindungslängen vorliegen und der Abstand zwischen zwei Ringatomen zwi-schen einer Einfach- und einer Doppelbindung liegt. Häufig werden die gleichartigen Bindungen zwischen den Ringatomen auch mit einem gestrichelten Kreis innerhalb des Ringes symbolisiert (vgl. (6c) in Abb. 6.13). Das Summensymbol des Moleküls kann mit B3N3H6 oder mit (BNH2)3 angegeben werden.

4. Hauptgruppe. Wie bei der Kettenbildung sind im Bilden von Ringen die C-Atome unübertroffen. Wir werden an dieser Stelle einige typische Ringe vorstellen, an die man in nahezu grenzenloser Weise weitere Atome der 4. bis 7. Hauptgruppe anknüpfen kann. Die aus dieser Systematik hervorgehende Vielzahl von Molekülen und entsprechenden Substanzen wird ausführlich in den Lehrbüchern der Organischen Chemie behandelt.

Den gewellten Ring aus sechs einfach gebundenen C-Atomen in Sessel- oder Wannenform, der an jedem C-Atom noch zwei H-Atome trägt, haben wir bereits kennengelernt: Er trägt den Namen Cyclohexan-Molekül, das Summensymbol lautet C6H12 (vgl. (7) in Abb. 6.13). Solche Ringe werden durch C-Atome in nahezu beliebiger Größe gebildet, anstelle der H-Atome kann man nahezu beliebig andere Atomsorten anknüpfen.

Solche Ringe lassen sich auch aneinander koppeln. Als Beispiel nennen wir einen Doppelring, der anhand von zwei Cyclohexan-Molekülen beschrieben werden kann (vgl. (8) in Abb. 6.13.): Das Skelettsymbol zeigt die Positionen der C- und H-Atome, das Struktursymbol gibt anhand der Buchstabensymbole Auskunft über die verknüpften Atomarten. Es ist zu beachten, daß die im Halbstruktursymbol angegebenen CH2-Gruppen nicht bedeuten, daß an den C-Atomen H2-Hanteln gebunden wären ! Im Zweifelsfalle: zurück zum Struktursymbol, zur vollständigen Molekülstruktur! Das beschriebene Molekül heißt Dekalin-Molekül und besitzt das Summensymbol C10H18.

Eine zentrale Bedeutung in der Organischen Chemie besitzt ein ebener Ring, der von sechs C-Atomen gebildet wird und in der Ringebene an jedem C-Atom ein H-Atom gebunden hat (vgl. (9) in Abb. 6.13): Die Atomabstände im Ring sind alle gleich und die Ring-Atome bilden zueinander einen Winkel von 120°. Es ist das Benzol-Molekül, das Summensymbol lautet C6H6 oder (CH)6.

Das Benzol-Molekül ist von der Struktur her völlig baugleich dem Ring B3N6H6 (vgl. (6) in Abb. 6.13). Man muß sich wie in diesem Beispiel entscheiden, welches der Struktursymbole (9a) bis (9d) man wählt. Die Symbole (b) und (c) signalisieren mit dem Bindungsgrad 1,5 den gleichen Abstand zweier C-Atome, der zwischen der Einfach- und Doppelbindung liegt. Das Symbol (d) abstrahiert noch weitergehend von den Buchstabensymbolen und wird in modernen Darstellungen bevorzugt verwendet.

Die Struktursymbole dieser C6-Ringe mit dem Bindungsgrad 1,5 erinnern an Ausschnitte der Sechsringschichten des Graphits (vgl. Abb. 6.5). In den Ringen des Graphits sind allerdings die C-Atome mit dem Bindungsgrad von 1,33 miteinander verknüpft: insofern ist der C-C Abstand im Benzol-Molekül mit 139 pm etwas kleiner als der in den Graphitgitter-Schichten mit 142 pm.

Selbstverständlich können Benzolringe in beliebiger Zahl nebeneinander zu großen Ringsystemen verknüpft werden. Man kann in die Ringe und Ringsysteme auch Fremdatome einbauen. Nehmen wir aus dem Benzol-Molekül eine CH-Gruppe heraus und ersetzen diese durch ein N-Atom mit drei Bindefähigkeiten, dann ändert sich am Ringsystem nichts: der Ring aus fünf C-Atomen und einem N-Atom bleibt eben, das N-Atom trägt jedoch kein H-Atom. Es resultiert das Pyridin-Molekül, es besitzt das Summensymbol C5H5N (vgl. (10) in Abb. 6.13).

10. Schichten

Wir wollen von den vielen Möglichkeiten an zwei Beispielen aufzeigen, in welcher Art Schichten aus verschiedenen Atomsorten gebaut werden können. Einerseits nehmen wir eine bereits fertige Schicht aus einer Atomsorte und binden unterhalb und oberhalb dieser Schicht andersartige Atome an, so daß alle Bindefähigkeiten der Schicht, die Ränder ausgenommen, abgesättigt sind. Andererseits verwenden wir zwei unterschiedliche Atomsorten und setzen diese gemeinsam zu einer einheitlichen Schicht zusammen.

Bei der 1. Bauweise des Diamantgitters sind wir von sesselförmigen C6-Ringen ausgegangen und haben sie zu Wabenschichten zusammengesetzt (vgl. (1) in Abb. 6.6). Die vierte Normbindefähigkeit der C-Atome, die nicht zur Ring- und damit Schichtbildung benötigt wird, ragt entweder nach oben oder unten senkrecht heraus: eine Bindefähigkeit pro C-Atom steht dementsprechend noch zur Verfügung. An diese freien Bindefähigkeiten lassen sich beispielsweise F-Atome knüpfen, so daß die wellige Schicht aus C-Atomen vollkommen abgesättigt ist (vgl. (1) in Abb. 6.14). Das Summensymbol lautet (CF)n.

Eine ebene Schicht aus zwei Atomsorten können wir aus B- und N-Atomen bauen (vgl. (2) in Abb. 6.14): Wir erhalten die Struktur ähnlich einer Graphitschicht. Das bedeutet, daß alle Atomabstände im Ring gleich und die Wabenwinkel 120° sind. Wir erinnern uns, daß wir einen derartigen B3N3H3-Ring mit H-Atomen an den Ecken bereits gebaut haben (vgl. (6) in Abb. 6.13). Die Schwierigkeit in der Beschreibung anhand eines Struktursymbols war die Angabe des Bindungsgrades. Das ist auch bei dem ebenen Wabennetz so: darin können die Beschreibungsweisen (a), (b) und (c) gewählt werden (vgl. (2) in Abb. 6.14).

Im Graphitgitter sind pro C-Atom vier Bindefähigkeiten zu verteilen: das führt zum Bindungsgrad 1,33 zwischen den C-Atomen einer Graphitschicht. In Analogie dazu können wir bei der Kombination von B- und N-Atomen ebenfalls im Durchschnitt jedem Atom vier Bindefähigkeiten zuordnen, wenn jedes B-Atom drei und jedes N-Atom fünf Normbindefähigkeiten mitbringt. Das führt uns dann ebenfalls zum Bindungsgrad 1,33 zwischen den Ringatomen, Labormessungen bestätigen gleichgroße Bindungsabstände zwischen den Atomen. Als Summensymbol dient schlicht (BN)n.



Abb. 3.13

Abb. 6.14: Infinite Schichtstrukturen von Nichtmetall-Atomen

11. Raumstrukturen

Um Raumstrukturen aus verschiedenen Nichtmetall-Atomarten gedanklich zu bauen, können wir von der Diamantstruktur ausgehen und die C-Atome abwechselnd durch B- und N-Atome ersetzen. Die Bindefähigkeiten sind dann so gebündelt, daß alle Bindungen zwischen B- und N-Atomen gleich lang sind und durch eine Einfachbindung beschrieben werden können. Wie im vorherigen Beispiel der Graphit- ähnlichen Schicht verhält sich auch hier ein Paar aus einem B- und einem N-Atom wie ein Paar C-Atome (vgl. (1) in Abb. 6.15).

Da gleich viele B- und N-Atome im Gitter zusammengebaut sind, ist das Summensymbol ebenfalls (BN)n. Man beachte, daß anhand des Summensymbols die graphitartige und die diamantartige Struktur nicht zu unterscheiden ist. Außerdem wird bei häufigem Gebrauch des Symbols die Klammer und der Index weggelassen. BN kann aber immer nur das Symbol für ein Makromolekül sein - diese Tatsache ist allerdings nur für den Eingeweihten erkennbar.

Naheliegend ist es, die C-Atome im Diamantgitter (vgl. Abb. 6.7) teilweise durch Si-Atome zu ersetzen. Das ist auch möglich, wenn sich die beiden Atomsorten immer abwechseln: es ist immer ein C-Atom von vier Si-Atomen umgeben und umgekehrt, das Gitter wird von gleichen Anzahlen beider Atomarten aufgebaut. Eigenartiger weise ändert sich aber teilweise die Stapelfolge der gewellten Wabenflächen: es wechseln sich “Hindurchlangform” und “Nichthindurchlangform“ ab (vgl. Abb. (2) und (3) in Abb. 6.15). Das Summensymbol ist (SiC)n bzw. SiC, man muß nur wissen, daß es sich dabei um eine Art Diamantgitter handelt.

Die Vielseitigkeit der weiteren Raumstrukturen läßt sich nun dadurch erzielen, daß man in einem Diamantgitter beliebig viele O-, S-, N- oder P-Atome zwischen einzelne oder mehrere C-Atome einbaut, teilweise Ringe beläßt, oder freie Bindungen mit H-Atomen besetzt. Wenn man dies in großem Maßstab betreibt, ist schließlich das Diamantgitter nicht mehr erkenntlich, man findet nur noch willkürlich vernetzte Ketten und Ringe vor.




Abb. 3.13

Abb. 6.15: Infinite Raumstrukturen von Nichtmetall-Atomen