Hallo!

Ich hab eine ziehmlich allgemeine Frage, undzwar würd ich gerne wissen welche Parameter für die Bindung zweier Atome relevant sind:

bei einer kovalenten Bindung: Atomradius, Kernladung, Anzahl Elektronen ... und was noch?

bei einer ionischen Bindung: Ladungsunterschied, ...?

bei wan der vaals kräfte:Masse,...?

oder allgemein: bei irgendeiner Interaktion zweier Atome.

Ich meine nicht Sachen wie die Oktettregel oder irgend ein Modell das die Bindung beschreibt, sondern nur alles was eine Interaktion beeinflussen kann (ob positiv oder negativ), sei der Einfluss auch noch so klein.

für einpaar Antworten wär ich sehr dankbar!

Die kurze Antwort fuer die kovalente Bindung waere hier wohl: Das Ueberlappungsintegral der jeweiligen Atomorbitale miteinander. Dieses haengt natuerlich von der Form der Orbitale ab, die dann wieder durch Kernladung, Zahl und Position (im Raum) der anderen Elektronen (und ggf. Kerne) bestimmt wird.
Bei Ionenbindung der Ladungsunterschied und die "Form" der Ladung (nicht jeder Kern laesst sich gut punktfoermig annaehern) sowie die Ionenradien--Stichwort ist hier das Coulomb-Gesetz.
Bitte sei Dir bewusst, dass es nicht "die kovalente Bindung" und "die Ionenbindung" gibt, sonder ein Kontinuum, in dem voellige Gleichverteilung der Elektronen und voellige Ladungstrennung _Extrema_ sind. Selbst schein voellig unkovalente Sachen wie Wasserstoffbrueckenbindungen beinhalten Resonanz der Elektronen von oder auf z.B. das Wassermolekuel. Ab wann eine Bindung als "Ionenbindung" betrachtet wird ist dabei voellig willkuerlich und nicht einheitlich festgelegt.

Fuer die vdW-Bindung sind im Wesentlichen zwei Parameter entscheidend: die groesse der Oberflaeche und ihre Polarisierbarkeit. Da die groesse der Oberflaeche bei Organika mehr oder weniger mit deren Masse korreliert, findet man diese manchmal als Parameter (sollte man aber nicht).

Gruss zonko

Das ist ja schonmal eine große Hilfe, danke! Drei Fragen hab ich doch noch:
Diese Parameter sind ja wohl für alle Atome des Periodensystems genau bekannt, bis auf die Position der Elekronen im Raum und die "Form" der Ladung.
Diese weiß man wohl auch nicht genau zu bestimmen, aber haben sie bekannter weise einen eher großen Einfluss auf die Bindung, oder nicht? Und was sind die hierfür zurzeit "besten" Modelle?

"Bitte sei Dir bewusst, dass es nicht "die kovalente Bindung" und "die Ionenbindung" gibt, sonder ein Kontinuum"

d.h. bei der "kovalentesten" Bindung haben Zahl und Positionen der Elektronen im Raum einen großen Einfluss, während die Form der Ladung so gut wie keine Rolle spielt. Bei der Ionenbindung ist es genau umgekehrt. Und alles was dazwischen ist, liegt irgendwo in der Mitte. Hab ich das einigermaßen richtig verstanden? Wenn ja, beantwortet dies auch einbisschen meine erste Frage, oder?

Hm, ich glaube ich muss mich korrigieren. Es gibt magnetische Kerne mit aussergewoehnlicher Verteilung der Magnetisierung (z.B. Oktopol), aber wir reden hier ja von elektrischen Ladungen, dort gibt es sowas glaube ich nicht. (Kann das hier jemand bestaetigen?).
Tut mir Leid, dass ich DIch da in die Irre gefuehrt habe.

Die Formen der Atomorbitale sind leider nicht fuer alle Atome bekannt, da es eine analyitsche Beschreibung dieser Orbitale nur fuer das Wasserstoffatom gibt. Wenn man aber ein Molekuel aus wirklich nur 2 Atomen betrachtet, laesst sich das sehr genau annaehern (mit dem COmputer).
Die Form der Atomorbitale wird ausschliesslich von der Ladung des Kerns und der Zahl der Elektronen bestimmt. Oben habe ich mich etwas unklar ausgedrueckt: "Position im Raum der Elektronen" ist das Gleiche wie Atomorbitale bzw. Molekuelorbitale- diese beschreiben naemlich die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons an jedem Punkt im Raum. Der Atomradius ergibt sich automatisch aus der Kernladung und der Zahl der Elektronen, ist also so gesehen nicht fuer Bindungen verantwortlich.
Um von Atomorbitalen zu Molekuelorbitalen (einer chemischen Bindung) zu kommen, kann man die MO-Theorie (das MO steht fuer Molekuelorbital) verwenden. Der deutsche Wikipedia-Artikel dazu ist leider nicht besonders gut gelungen, leider weiss ich auch nicht, auf welches Buch ich verweisen soll, da ich keine Ahnung ueber Dein Vorwissen habe.

Nochmal zu Ionenbindung vs. kovalente Bindung: Bei der "kovalentesten" Bindung sind die bindenden Elektronen gleichmaessig auf beide Bindungspartner verteilt. Dazu muessen die Bindungspartner die gleiche Elektronegativitaet haben. Ein Beispiel dazu waere gasfoermiger Stickstoff (N2). Bindungen koennen polarisiert sein, ein Beispiel waere Fluorwasserstoff, HF. Da F elektronegativer ist als H, befindet sich das bindende Elektronenpaar naeher am F-Kern. Bei einer ionischen Bindung waere das "bindende" Elektronenpaar auf einem der beiden Kerne zentriert, die beiden Kerne wuerde nur durch ihre elektrostatische Anziehung zusammengehalten. Diesen Fall gibt es in Wirklichkeit aber nicht. Daher kann man immer nur einen Ionizitaetswert angeben, der zischen 0 (voellig kovalent) und 1 (voellige Ladungstrennung, wird nie erreicht) liegen kann.
Fuer zweiatomige Molekuele gibt es eine willkuerliche Definition, die Bindung ab einem Elektronegativitaetsunterschied von 1.7 "ionisch" zu nennen.
Davon abgesehen, dass diese Definition willkuerlich ist, musst Du beachten, dass sie nur fuer zweiatomige Molekuele gilt, denn die Elektronegativitaetswerte sind nur fuer Atome definiert! Die Ionizitaet einer Bindung in einem groesseren Molekuel kann nur mit bestimmten MO-Modellen genau berechnet werden.

So, ich hoffe ich habe mehr Fragen beantwortet als neue aufgeworfen...

Gruss zonko

"So, ich hoffe ich habe mehr Fragen beantwortet als neue aufgeworfen..."

Doch, aber das macht nichts, so weiss ich wenigstens was ich nicht weiß .

Ich hab mir den Artikel aus Wikipedia angeschaut der Orbitale beschreibt. Da stand unter anderem dass die Hauptquantenzahl n einen Bereich beschreibt, in dem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons sehr hoch ist. Ich würd jetzt gern wissen wie man von n auf irgendeiner Ausprägung dieser Aufenthaltswahrscheinlichkeit kommt, also welche Funktion n auf eine der möglichen 3-D Koordinaten eines Elektrons (erstmal im Wasserstoffatom, relativ zum Atomkern) abbildet. (Diese Funktion müsste dann wohl die Form des Bereichs und die Verteilung innerhalb dieser Form wiedergeben ?!)

Ich seh grad dass die Form des Orbitals von der Nebenquantenzahl l bestimmt wird, über eine Funktion:

http://de.wikipedia.org/wiki/Orbital

|L|=h*sqrt{l(l+1)}

aber die Verteilung ist ja dadurch immernoch nicht gegeben, oder wird Gleichverteilung angenommen? Und wofür steht dieses h in der Formel? Und |L|, ist das der Abstand vom Kernmittelpunkt?

Die Wellenfunktion ist eine Funktion im dreidimensionalen Raum, also F(x,y,z). Das Quadrat einer Einelektronenwellenfunktion gibt Dir die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons an jedem Punkt im Raum. Das zu visualisieren ist schwierig. Man kann z.B. einen "Schnitt" im Raum machen und dann eine (mathematische) Ebene anschauen. Oder man kann sagen "ich zeichne eine Kontur, die 95% des Elektrons erfasst". Diese beiden Moeglichkeiten findest Du im 1. Bild im von Dir verlinkten Artikel wieder.
Das Problem ist, dass die Wellenfunktion nur fuer ein einzelnes Elektron exakt geloest werden kann- daher ist die exakte Form der Orbitale nur fuer Dinge wie das Wasserstoffatom, das Heliumkation oder das Wasserstoffmolekuel-Kation bekannt. Leider kann man die Wechselwirkungen der Elektronen untereinander nicht exakt beschreiben. "Atomorbitalbilder", die man ueberall sehen kann, basieren daher auf den Orbitalen, die man fuer das Wasserstoffatom gefunden hat.
Fuer die Systeme mit mehr Elektronen (z.B. groessere Atome oder ein "richtiges" Molekuel) muss man daher die (Atom-)Orbitale annaehern so gut es eben geht (wie das genau funktioniert ist ziemlich komplex und dazu wuerde ich dann wohl auf ein Buch verweisen).
Dazu kommt, dass die Atomorbitale, aus denen die Molekuelorbitale (chemische Bindungen) aufgebaut sind, von Molekuel zu Molekuel (leicht) unterschiedlich sind-- das ist zumindest, was eine populaere aktuelle Theorie suggeriert.
Anyway, du willst also die genaue funktionelle Form der Wellenfunktionen wissen. Wirf mal einen Blick auf die Funktionen, spaeter in dem Artikel beschrieben sind. Sie sind in "Kugelkoordinaten", aber wenn wir nur die s-Orbitale betrachten, soll uns das aber zunaechst nicht stoeren. Wie Du sehen kannst, ist das s-Orbital im wesentlichen eine Exponentialfunktion mit negativem Exponenten, die mit steigendem Abstand zum Atomkern abnimmt- in allen Richtungen des Raums.
Wie Du siehst, ist diese Funktion _im Kern_ maximal- das kann also nicht die Aufenthaltswahrscheinlichkeit sein. Um von der Funktion zur Aufenthaltswahrscheinlichkeit zu kommen, muss man (wenn ich mich richtig erinnere), die Funktion quadrieren und mit mit r multiplizieren. (Eventuell muss man auch die Funktion r^2 multiplizieren, nagel mich da bitte nicht fest. Qualitativ (="Form") kommt dabei Aehnliches raus.) Dadurch bekommst Du eine "Kugelschale". Wenn Du ein Matheprogramm zur Hand hast, (oder einen sehr guten Taschenrechner) kannst Du einfach mal e^(-2x)*x bzw. e^(-2x)*x*x plotten lassen. Im 1. Quadrant siehst Du dann qualitativ, wie die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons als Funktion vom Abstand zum Kern aussieht- _im_ Kern ist sie 0.
Fuer die p-Orbitale laesst sich das leider nicht so einfach visualisieren...

Woher der Faktor r/r^2 kommt, weiss ich nicht mehr aus dem Kopf, da muesste ich mal in meine Unterlagen aus der Quantenmechanik-Vorlesung schauen. Waere natuerlich schoen, wenn mich hier im Forum jemand unterstuetzen koennte

Falls Du Chemie studierst, dann lass Dir sagen: frueher oder spaeter wird das alles durchgenommen, und die Formeln fuer die Wasserstofforbitale werden hergeleitet.

Ich hoffe das war ein bischen Hilfreiche Information fuer den Anfang.

Gruss zonko

Ok, das mit dem Wasserstofforbital ist ja schonmal ein guter Anfang.

Ich hab mir inzwischen eine alternative Herangehensweise überlegt, undzwar um mehrere solche Instanzen von Atomen in iherer natürlichen Verteilung zu erzeugen (mit verteilung ist hier gemeint, wie die Elektronen im Raum verteilt sind), muss ich diese Verteilung ja nicht umbedingt beschreiben (was diese Orbitale ja im Endeffekt tun), sondern nur implizieren. Dazu würde es doch reichen, die Kräfte zu kennen die auf so ein Elektron wirken, und in wie fern diese, seinen Ort von A nach B ändern. Dazu müsste ich aber folgendes wissen:

Nehmen wir ein Wasserstoffatom im Vakuum an, das also von keinen anderen äußeren Kräften oder anderen Atomen beeinflusst wird.
bezüglich Elektron:

Was zieht das Elektron zum Kern heran, und was stoßt es davon ab? Wie hängen diese Kräfte von der Ladung des Kerns, der Anzahl der Nukleonen im Kern und der Distanz vom Kern ab? Und wenn ein zweites Elektron hinzukommt, was für ein einfluss hatt es auf ersteres, und ab welcher Distanz davon.

Was hält den Kern zusammen? Welche Kraft wirkt der Abstoßung der Protonen aufgrund der Ladung entgegen? Und wie wird der Kern von dem(/n) umliegenden Elektron(en) beeiflusst?

Ab welcher Distanz beeinflussen sich Kern und Elektron überhaupt in irgendeiner Weise?

Es ist wohl so dass diese Kräfte nicht alle bekannt sind, es würde aber schon helfen zu wissen, inwie weit ihere Existenz angenommen wird, also z.B. wieviele Kräfte überhaupt auf so ein Elektron wirken, auch wenn nicht alle davon bekannt sind.

Ich studiere übrigens nicht Chemie, sondern Bioinformatik, und was ich eigentlich machen will ist bestimmte Stoffwechselwege simulieren, dazu will ganz unten, auf Atomebene anfangen, drum die ganzen Fragen . Ich finde das aber auch höchst interessant.

Danke, dass Du im letzten Abschnitt den Kontext des ganzen geschildert hast. Falls Du wirklich auf "Atomebene" simulieren willst, dann wuerde ich Dir empfehlen, ein entsprechendes Buch dazu zu lesen, denn bis ich Dir hier die ganze Theorie dazu wiedergekaeut hab, braucht es wohl ziemlich lange.
Mein persoenlicher "Tip" bei Buechern waere der "Molecular Modelling" von Leach, was allerdings etwas veraltet ist. Ein Standardwerk waere hier wohl "Essentials of COmputational Chemistry" von Truhlar, allerdings weiss ich nicht auswendig, ob darin auch MD (Molecular Dynamics) behandelt wird.

Lass Dir schon mal gesagt sein, dass Du mit "Kraeften" (klassische Mechanik) hier nichts anfangen kannst, wenn Du wirklich Reaktionen simulieren willst.

Ich will Dich hier nicht stur auf ein Buch verweisen um mir Arbeit zu sparen. Aber es gibt fuer die allermeisten Theorien fertige Softwarepakete, in denen unzaehlige Mannjahre Arbeit stecken.
Wenn ich lese, dass Du "komplette Stoffwechselwege simulieren" willst, kann es auch sein, dass Du schnell merkst, dass das, was Du willst, schlichtweg nicht moeglich ist (mit heutigen Computern).
Schreib doch ein bischen mehr, was Du vorhast, dann kann ich Dir (vielleicht) sagen, ob das machbar ist.
Bin bis Montag unterwegs, daher gibs erst Montag oder Dienstag wieder eine Antwort.

Gruss zonko

Ja, ich weiß, es gibt schon eine Menge Simulationen für Stoffwechselwege, sogar für gesamte Zellen, aber soweit ich weiß, ist keine davon auf Atomebene. Dafür wird es sicher gute Gründe geben, ich meine, es ist wahrscheinlich nicht machbar, aber man kann es ja mal versuchen; auch wenn es nicht klappt, ich hab ja schon jetzt eine Menge Sachen erfahren die ich vorher nicht wusste, insofern hat es sich jetzt schon gelohnt . Jedenfalls danke für deine Antworten!

viele Grüße,

Noemi

Nun ja, es gibt eben immer verschiedene Arten von Modellen, die mit unterschiedlichem "Rechenaufwand" verbunden sind.

Quantenmechanische Modelle kannst Du so bis ca. 100 Atome benutzen. Wenn Du nur Grundzustaende etc. berechnen willst, geht das auf einem "normalen" Computer. Fuer Dynamik musst Du damit auf den Grossrechner.

Die naechste Stufe waeren dann klassische Kraftfelder. Hier gibt es keine Elektronen, sondern nur Atomkerne, die von "Federn" (harmonischer Oszillator) zusammengehalten werden. Chemische Reaktionen kannst Du damit nicht simulieren, dafuer aber z.B. Transport durch eine Membran oder Struktur eines Enzyms. Dieses Beispiel impliziert ja schon, dass hier tausende Atome beruecksichtigt werden koennen.

Irgendwo noch weiter "oben" waere dann kinetische Modelle, in denen Du Geschwindigkeitskonstanten und Reaktionswege vorgibst und Konzentrationen als Funktion der Zeit erhaeltst. Hier gibt es zwar keine Atome mehr, dafuer lassen sich damit ganz andere Probleme untersuchen wie z.B. Transport und Metabolismus zwischen Zellen oder im Ganzen Koerper.

Zusammenfassend: Ja, es gibt wirklich gute Gruende dafuer, warum man keine ganze Zelle auf "Atomebene" simulieren kann-- es ist einfach nicht genug Rechenpower dafuer. Unter der Annahme, dass sich die Computertechnologie mit gleichbleibender Geschwindigkeit weiterentwickelt, wird das auch noch lange so bleiben.

Du musst Dich beim Simulieren also entscheiden, ob Du eher mikroskopisch oder makroskopisch arbeiten willst. Solltest Du aber ernsthaftes Intresse an atomarer/molekularer Physik haben, also wissen wollen, was Elektronen in einem Molekuel machen etc., solltest Du mal in ein Buch ueber Quantenchemie reinschauen.
Z.B. "Quantum Chemistry" von Ira N. Levine (englisch) oder auch einfach in eines der grossen PC-Buecher reinschauen (Atkins/McQuarrie oder auch Wedler).

Gruss zonko

Bin kein Oktupolspezialist, aber doch, das sollte es auch geben fuer elektrische Ladungen. "einfache" Ladungen sind Monopole, die kennen wir alle und sind einfach Punktladungen. Dann gibt es die Dipole (kennen wir auch recht gut) und kommen von, sagen wir unterschielichen "Elektronegativitaeten". Und dann gibt es Quadrupole, sogar in der Abwesenheit von Dipolen (z.B. hat CO2 ein Quadrupolmoment.

Gruesse
alpha