Chemische Bindung
Eine chemische Bindung ist die Wechselwirkung zwischen Molekülen, Salzen, Metallen und Atomen. Diese Wechselwirkung bewirkt, dass diese chemischen Grundbausteine zusammengehalten werden. Das Produkt dieser Wechselwirkung (chemischen Bindung) ist die chemische Verbindung, deren kleinste Ausprägung das Molekül ist. Die Stärke einer Bindung drückt sich in der Bindungsenergie aus. In der Chemie unterscheidet man fünf Arten von Bindungen.
Inhalt
Wie und Warum entstehen chemischen Bindungen
In der Natur wird immer Energieeffizienz angestrebt. Mit möglichst wenig Energieaufwand soll möglichst viel erreicht werden. Dieses Prinzip gilt auch in der Chemie. Ein zweites Naturgesetz ist der Ausgleich. Alles strebt danach, irgendwie ausgeglichen zu werden. Treffen zwei Systeme mit unterschiedlicher Energie aufeinander, gleichen sie sich aus.
Okay, nun zur Atombindung.
Ein einzelnes Atom besteht aus negativ-geladenen Elektronen in der Atomhülle und positiv-geladenen Protonen im Atomkern. Die unterschiedlichen Ladungen ziehen sich an. Der Atomkern würde demnach die Elektronen in die Hülle ziehen.
Anziehungskräfte zwischen Elektronen und Protonen
Allerdings existieren zwischen den elektrisch-negativ geladenen Elektronen auch Abstoßkräfte. Dadurch entstehen Fliehkräfte, so ähnlich wie bei einem Kettenkarussell.
Zentrifugalkräfte der Elektronen
Also bewirken, die Abstoßkräfte zwischen den Elektronen – dass diese auf einer Kreisbewegung gehalten werden – welche normalerweise die Elektronen aus dem Atom herauswerfen würde. Gleichzeitig existieren Anziehungskräfte durch die positive Ladung des Atomkern, welche die Elektronen im Atom halten.
Man kann erkennen, dass in einem Atom jede Menge Energie vorhanden ist. Nun besteht so eine Atomhülle aus verschiedenen Elektronenschalen. Und die Elektronen auf den Außenschalen werden vom Atomkern am wenigsten angezogen. Im Falle von Sauerstoff befinden sich 6 Elektronen auf der Außenschale und zwei Elektronen auf der Innenschale, nahe dem Atomkern. Der Atomkern hat zudem eine Masse, weshalb die Elektronen (ohne Masse) zusätzlich angezogen werden.
Versetzen wir uns nun in die Lage eines Atoms.
Nehmen wir Sauerstoff mit der Ordnungszahl 8. Demnach besitzt der Sauerstoff 8 Protonen im Kern und 8 Elektronen in der Hülle. Die 8 Elektronen verteilen sich auf Schalenbahnen. Die erste Schale (innere Schale) kann zwei Elektronen aufnehmen und die anderen 6 müssen auf die Außenbahn.
Atommodells des Sauerstoffs
Im Falle des Sauerstoffs ist die innere Schale äußerst stabil. Die zwei Elektronen werden vom Atomkern angezogen und ihnen geht’s gut. Doch wie sieht es in der Außenschale aus. Diese müsste um stabil zu sein, 8 Elektronen haben.
Wieso?
Mit 8 Elektronen würden die Abstoßungskräfte zwischen den negativ geladenen Elektronen im Gleichgewicht sein. Alle würden sich gegenseitig abstoßen und die Kreisbewegung wäre stabil. Da Sauerstoff aber nur sechs Elektronen auf der äußeren Schale hat, besteht ein Ungleichgewicht.
Was soll es machen?
Es kann nun entweder die sechs Außenelektronen abgeben oder zwei zusätzliche aufnehmen. In beiden Fällen muss es eine Verbindung zu einem anderen Atom aufnehmen. Irgendwer muss schließlich die zwei zusätzlichen Außenelektronen liefern oder die sechs überschüssigen aufnehmen.
Da es für den Sauerstoff eine weitaus geringeren Aufwand darstellt, zwei zusätzliche Elektronen aufzunehmen – wird es das tun.
Abgeben ist immer blöd, oder? Nein, im Ernst. Die sechs Außenelektronen abzugeben, würde bedeuten – dass die positive Ladung des Kerns – die elektrische Ladung in der Hülle deutlich übersteigt. Dadurch wäre das Gleichgewicht enorm gestört. Also nimmt Sauerstoff zwei zusätzliche Außenelektronen von einem anderen Element auf und füllt damit seine Außenschale auf. Durch das Auffüllen entsteht eine chemische Bindung zwischen beiden Atomen.
Die chemische Bindung am Beispiel von Wasser
Wasser hat die Summenformel H20. Es besteht demnach aus Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O). Der Wasserstoff hat die Ordnungszahl 1, besitzt demnach nur 1 Proton und ein Elektron. Demnach ist Wasserstoff wirklich arm dran, da nicht einmal seine Innenschale voll besetzt ist.
Aber was passiert, wenn Wasserstoff und Sauerstoff aufeinandertreffen. Klar, sie gehen eine chemische Bindung ein. Aber wie?
Halten wir fest:
- Sauerstoff braucht zwei Elektronen, um eine stabile Achterschale zu bekommen
- Wasserstoff braucht ein Elektron, um eine stabile Außenschale zu bekommen
Chemische Bindung zwischen einem Wasserstoff und einem Sauerstoff
Man sieht, hier liegen unterschiedliche Vorstellungen vor – welche kaum zu einer Übereinstimmung führen können. Deshalb braucht es zwei Wasserstoffatome, um Wasser herzustellen. Und zwar, nimmt ein Sauerstoffatom zwei Elektronen von zwei unterschiedlichen Wasserstoffatomen auf. Nur so gehts.
Zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom ermöglichen eine chemische Bindung
Welche Formen von chemischen Bindungen gibt es
Man unterscheidet zwischen:
- Atombindung
- Ionenbindung
- Metallbindung
- Wasserstoffbrückenbindung
- Van-der-Waals-Bindungen
Atombindung
Die Atombindung wird auch Molekularbindung, Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung genannt. Meistens tritt diese bei Nichtmetallen auf. Bei dieser Bindungsform spielt die Wechselwirkung der Außenelektronen beteiligter Atome eine tragende Rolle. Die oben beschriebene Wechselwirkung ist ein Beispiel für diese Bindungsform.
Ionenbindung
Die Ionenbindung besteht zwischen Atomen, deren Elektronegativitäten sich deutlich unterscheiden. Dies betrifft Bindungen zwischen Metallen und Nichtmetallen. Dabei geben die Metalle ihre Außenelektronen an die Nichtmetalle ab und liegen danach als positiv geladene Ionen (Kationen) vor. Die Nichtmetalle nehmen die Elektronen des Bindungspartners auf und werden dadurch zu Anionen.
Metallbindung
Metalle besitzen meist nur 1 bis 3 Außenelektronen. Eine Atombindung zwischen zwei Metallen würde demnach nicht zu einer ausreichenden Schalenbesetzung führen. Stattdessen bilden Metalle ein Gitter aus Metallionen aus. Dieser Zustand ist energiearm und führt dazu, dass sich die Außenelektronen als Elektronengas frei bewegen. Aufgrund der Verschiebbarkeit dieser Elektronen sind Metalle auch exzellente elektrische Leiter.
Wasserstoffbrückenverbindung
So mancher Partner in einer Atombindung besitzt Partialladungen. Gegensätzliche Ladungen ziehen sich an. Das ist auch der Grund dafür, weshalb Wasserdampf bei Raumtemperatur flüssig wird. (Siehe Dipol des Wassers).
Van der Waals-Bindungen
Dies ist die schwächste Bindungsform. Edelgase, welche eine komplett besetzte Schale haben und somit keinerlei Bindung eingehen müssten, werden flüssig – sobald die Temperatur sinkt. Der Grund sind die Van-der-Waals-Bindungen. Jene Van-der-Waals-Kräfte bewirken auch, dass sich unpolare Moleküle mitunter anziehen. Je größer die Moleküle sind, desto stärker wirken die Van-der-Waals-Kräfte.