Chemische Bindungen

Chemische Bindungen

Als chemische Bindung bezeichnet man eine solche Wechselwirkung zwischen den Elektronen der einzelnen Atome der Elemente, die zu deren dauerhafter Verbindung führt.  Infolgedessen wird eine chemische Verbindung gebildet.  Dieselben Elemente haben in der Regel unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu den Eigenschaften des Moleküls, das sie bilden.

Die Entstehung chemischer Verbindungen als Ergebnis der Bindungsbildung ist darauf zurückzuführen, dass die Elemente danach streben, den niedrigstmöglichen Energiezustand zu erreichen.  Sie werden dann chemisch passiv.  So streben die Atome der Elemente die Elektronenkonfiguration an, die der des Heliums im Periodensystem (Gruppe 18) am nächsten kommt. Man spricht hier von der Dublett- und Oktettregel.  Die Dublett-Regel ist das Bestreben, dass die Atome der Elemente zwei Valenzelektronen auf der letzten Schale haben.  In ähnlicher Weise haben die Elemente im Falle der Oktettregel acht Valenzelektronen.

Die Erfüllung der Dublett- oder Oktettregel durch chemische Elemente beruht auf der Bildung einer oder mehrerer chemischer Bindungen. Die Anzahl der Bindungen, die ein Atom eingehen kann, wird als Wertigkeit bezeichnet. Es ist zu beachten, dass ein und dasselbe Element durch unterschiedliche Valenzwerte gekennzeichnet sein kann.

Um eine chemische Bindung vollständig zu charakterisieren, werden oft ihre Eigenschaften wie Energie, Bindungslänge und der Unterschied in der Elektronegativität der Elemente die sie bilden angegeben.

Die Bedeutung der Elektronegativität bei der Bindungsbildung

Die Elektronegativität ist definiert als das Phänomen der Anziehung von Elektronen durch die Atome von Elementen, die eine chemische Bindung eingehen. Die Elektronegativität steht in direktem Zusammenhang mit der Bindungsenergie zwischen Atomen. Die Art und Weise, wie die chemischen Elemente die Elektronenkonfiguration erreichen, die der des Heliums im Periodensystem am nächsten kommt, d.h. wie sie chemische Bindungen eingehen, hängt direkt vom Wert der Elektronegativität der einzelnen Komponenten ab.

Die einzelnen Elemente wechselwirken mit den Elektronen anderer Atome unterschiedlich stark – je nach ihrem Rang auf der von Linus Pauling geschaffenen Skala (Pauling-Skala). Metalle zeichnen sich durch geringe Elektronegativitätswerte aus. Daher ziehen sie andere Elektronen nur schwach an und geben ihre eigenen bereitwillig ab. Sie werden auch als elektropositive Elemente bezeichnet. Cäsium (oder künstlich hergestelltes Francium) hat die niedrigste Elektronegativität von 0,7. Nichtmetalle verhalten sich anders. Unter diesen ist Fluor das elektronegativste Element (4,0). Nichtmetalle ziehen die Valenzelektronen der Atome, mit denen sie eine Bindung eingehen wollen, stark an.

Arten von chemischen Bindungen

Ionische Bindung

Es entsteht zwischen Metallatomen und Nichtmetallenatomen, die sich in ihren Elektronegativitätswerten in der Pauling-Skala stark voneinander unterscheiden. Die Elektronen werden dann von dem elektronegativeren Element angezogen und auf dessen Valenzschale platziert. Aufgrund dieser Anziehungskraft verfügt es über einen Elektronenüberschuss, so dass es zu einem negativen Ion oder Anion wird. Ebenso hat ein Atom, das Elektronen abgegeben hat (elektropositiv), einen Mangel an Elektronen, so dass es zu einem positiven Ion oder Kation wird. Es wird davon ausgegangen, dass der Unterschied in der Elektronegativität mindestens 1,7 betragen muss, damit eine Ionenbindung entsteht. Die gebildeten Ionen (Kation und Anion) werden aufgrund der elektrostatischen Anziehung der unterschiedlich geladenen Ionen zueinander hingezogen. Es ist wichtig zu wissen, dass es in Wirklichkeit keine 100-prozentige Ionenbindung gibt. Der Prozentsatz dieser Bindung hängt vom Elektronegativitätsunterschied zwischen den Atomen ab – je größer der Unterschied, desto größer der Anteil der ionischen Bindung.

Kovalente Bindung (Atombindung)

Sie besteht zwischen Nichtmetallatomen mit einem geringen Unterschied der Elektronegativität auf der Pauling-Skala.  Die Elemente, die die Bindung bilden, “teilen” sich untereinander die Valenzelektronen so, dass jedes von ihnen den niedrigsten möglichen Energiezustand erreicht. Das entstehende Elektronenpaar wird vergemeinschaftet. Es befindet sich zwischen den Atomen in Form einer Elektronenwolke. Besteht ein Unterschied in der Elektronegativität zwischen den Elementen, wird die kovalente Bindung polarisiert – das gemeinsame Elektronenpaar wird in Richtung des Elements mit der höheren Elektronegativität verschoben (das die Elektronen stärker anzieht). Das Molekül wird dann zu einem Dipol mit positiven und negativen Polen. Die Bindung, die zwischen denselben Atomen entsteht, wird als kovalente unpolare Bindung bezeichnet. Das Elektronenpaar wird in keine der beiden Richtungen verschoben, da der Unterschied in der Elektroneutralität auf der Pauling-Skala 0 beträgt.

Koordinationsbindung

Bei dieser Art von Bindung gibt eines der Atome sein Elektronenpaar ab – es ist der Donator. Der Akzeptor hingegen ist ein Atom im Molekül oder Ion mit einer unbesetzten Valenzschale. Eine andere Bezeichnung für diese Bindung ist Donator-Akzeptor-Bindung. In gewissem Sinne ist eine Koordinationsbindung einer kovalenten Bindung ähnlich. In diesem Fall erfolgt die gemeinsame Nutzung von Elektronen jedoch durch die Abgabe eines Elektronenpaares von nur einem der Atome.

Metallische Bindung

Eine metallische Bindung ist eine besondere Art der Bindung, die in Metallen und ihren Legierungen vorkommt. Die Kationen in Metallen bilden ein spezifisches Kristallgitter. Sie sind positiv geladen. Die Elektronen zirkulieren in den Valenzschalen der Metallatome. Sie bilden eine Elektronenwolke, die sich frei zwischen den Metallkationen des Kristallgitters bewegt. Sie werden als delokalisierte Elektronen bezeichnet. Da sie eine negative Ladung haben, gleichen sie die positiven Kationen aus und machen die Metalle somit elektrisch neutral.

Zwischenmolekulare Wechselwirkungen

In der Natur gibt es eine Reihe von Verbindungen, deren Atome nicht durch chemische Bindungen verbunden sind. Sie interagieren miteinander durch viel schwächere, kurzreichweitige Kräfte – zwischenmolekulare Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen.

Zwischenmolekulare Kräfte

Dabei handelt es sich um Wechselwirkungen mit kurzer Reichweite, die zwischen unpolaren Molekülen auftreten. Sie spielen eine besondere Rolle, zum Beispiel in Makromolekülen wie Polymeren. Darüber hinaus beeinflussen sie den Aggregatzustand ausgewählter Elemente der Materie. Das häufigste Beispiel für das Auftreten von zwischenmolekularen Bindungen ist die Graphitmiene in Bleistiften. Durch die Bewegung des Stiftes über die Oberfläche eines Papierblattes hinterlassen aufeinanderfolgende Graphitschichten (die vergänglich miteinander verbunden sind) eine Spur auf der Oberfläche des Papiers.

Wasserstoffbrückenbindungen

Sie sind etwa 10-mal schwächer im Vergleich zu kovalenten Bindungen.  Sie können innerhalb eines Moleküls oder zwischen verschiedenen Molekülen auftreten. Sie bilden sich zwischen Wasserstoffatomen, die mit elektronegativen chemischen Elementen verbunden sind, und stark elektronegativen Elementen, die freie Elektronenpaare haben. Diese Art der Wechselwirkung ist charakteristisch für die Gruppen -OH, -SH und -NH₂. Es spielt eine Schlüsselrolle in allen Arten von biologischen Systemen. Sie führt zur Assoziation, d.h. zur Verbindung zu größeren Molekülgruppen, wodurch sich ihre Eigenschaften wie Siedepunkt, Dichte oder Löslichkeit verändern.