Chemische Bindungen und Wechselwirkungen

Solltest du dich bereits mit dem Automaufbau beschäftigt haben, hast du auch schon mal gehört, dass Atome aller Elemente (bis auf die der Edelgase) Verbindungen eingehen möchten. Kommt so eine Verbindung zustande, gibt es Veränderungen in der Elektronenverteilung. Und chemische Bindungen werden je nach Art der Elektronenverteilung unterschieden. Hier eine kleine Übersicht zu den verschiedenen Arten an chemischen Bindungen:

Es gibt zum einen die Ionenbindung, bei der die Elektronen von Atomen auf eine andere Sorte Atome übergehen. Dabei geben die Atome des reagierenden Elements Elektronen ab und werden so zu positiv geladenen Atomen, während die Atome des Reaktanden Elektronen aufnehmen und so zu negativ geladenen Ionen werden. Durch die elektrostatische Anziehung bleiben die positiv und negativ geladenen Ionen zusammen👩‍❤️‍👩.

Die kovalente Bindung ist für den festen Zusammenhalt 👬 von Atomen in chemischen Verbindungen zuständig und bildet sich vorwiegend zwischen Nichtmetallen aus. Die involvierten Atome teilen sich dabei Elektronenpaare (mindestens eins), wodurch die Atome zusammengehalten werden.

Die Metallbindung wirkt, wie der Name schon sagt, zwischen Metallen. Sie ist außerdem auch noch unter dem Begriff metallische Bindung bekannt. Da die meisten Atome der Metalle nur wenige Außenelektronen besitzen, werden diese abgegeben und können sich dann frei im Metallgitter bewegen und bilden dadurch das sogenannte Elektronengas. Dadurch entstehen typische metallische Eigenschaften wie zum Beispiel die elektrische Leitfähigkeit 🔌.

Die Wasserstoffbrückenbindung ist eine bindende Wechselwirkung, die aus einem gebundenen Wasserstoffatom eines Moleküls und einem stark elektronegativen Atom eines weiteren Moleküls hervorgeht. Meist ist das elektronegative Atom Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor.

Bei den van-der-Waals-Kräften handelt es sich um Wechselwirkungen, die durch die Anziehung zwischen Dipolen zustande kommen. Es wird dabei zwischen drei Typen unterschieden: dem Richteffekt, dem Induktionseffekt und dem Dispersionseffekt.

So, jetzt hast du schon mal einen groben Überblick über chemische Bindungen. Keine Sorge, falls du dir noch nicht so viel gemerkt hast. Wir gehen ja erst im nächsten Abschnitt ins Detail 😄

Die Ionenbindung entsteht durch die Reaktion von einem Metall mit einem Nichtmetall. Aus dem Elektronenübergang vom Metall zum Nichtmetall resultieren geladene Teilchen, die sogenannten Ionen. Das Ganze sieht am Beispiel von Natrium und Chlor so aus:

Reaktion von Natrium mit Chlor

Natrium befindet sich in der ersten Hauptgruppe und besitzt deshalb ein Valenzelektron (dargestellt durch den Punkt oben rechts neben dem Na). Chlor steht in der siebten Hauptgruppe und verfügt über sieben Valenzelektronen (dargestellt durch die 3 Striche, wobei jeder Strich für 2 Elektronen steht und den Punkt oben rechts neben dem Cl). Bei der Reaktion zwischen Natrium und Chlor gibt das Natrium-Atom sein Valenzelektron ab und das Chlor-Atom nimmt es dann auf. Natrium hat jetzt ein Elektron verloren und hat deswegen nur noch 10, im Kern sind jedoch nach wie vor 11 Protonen enthalten. Dadurch besitzt das Natrium-Ion die Ladung 1+. Das Chlorid-Ion besitzt nun 18 Elektronen, aber immer noch nur 17 Protonen, weswegen es die Ladung 1- hat. Du kannst dir merken, dass die positiv geladenen Ionen als Kationen bezeichnet werden und die negativ geladenen Ionen als Anionen.

Da die Anzahl der vom Natrium abgegebenen Elektronen mit der Anzahl der vom Chlor aufgenommenen Elektronen übereinstimmt, sind die positiven Natrium-Ionen und die negativen Chlor-Ionen im Verhältnis 1:1 vorhanden. Die Ionen ordnen sich in einem sogenannten Ionen-Kristall an. (Falls du nicht weißt, was ein Kristallgitter ist, informiere dich hier darüber 😊).

Im dargestellten Natriumchlorid-Kristall gehört kein Ion nur zu einem anderen Ion. Tatsächlich ist es so, dass jedes Natrium-Ion von sechs Chlor-Ionen umgeben ist und jedes Chlor-Ion von sechs Natrium-Ionen. Die Zahl der umgebenden Ionen bzw. Nachbar-Ionen wird mittels der Koordinationszahl beschrieben. Diese ist in beiden Fällen sechs. Durch die entgegengesetzte Ladung der Nachbar-Ionen des Ions, überwiegen im Kristallgitter die Anziehungskräfte und nicht die abstoßenden Kräfte. Dadurch wird der Kristall zusammengehalten und das ist tatsächlich auch die Hauptcharakteristik der Ionenbindung.   

Wenn du bereits mit dem Atomaufbau bzw. dem Orbitalmodell vertraut bist, solltest du die Elektronenkonfiguration "lesen" können. Natrium hat links noch 11 Elektronen aber nach der Reaktion sind es nur noch 10 Elektronen. Deswegen ist das Natrium-Ion positiv geladen und hat noch ein negativ geladenes abgespaltenes Elektron. Außerdem kannst du lesen wie viele Elektronen sich in welcher Schale befinden. Das Gleiche gilt auch für Chlor. Chlor hat 17 Elektronen und nimmt das freie Elektron von Natrium auf, wodurch das Chlor-Ion eine negative Ladung bekommt.

Natriumchlorid kennst du bestimmt schon aus der Küche. Es ist unser allseits beliebtes Kochsalz! Fast alle Verbindungen, die auf Ionenbindungen beruhen, sind Salze. Denn diese chemischen Verbindungen bestehen aus ➕ geladenen und ➖ geladenen Ionen. Bei anorganischen Salzen werden die Kationen meist von Metallen und die Anionen von Nicht-Metallen gebildet. Als organische Salze werden alle Verbindungen bezeichnet, bei denen mindestens ein Kation oder ein Anion eine organische Verbindung ist.

Jetzt sehen wir uns nochmal anhand von Natriumchlorid die sogenannte Verhältnisformel an. Natriumchlorid ist aus den Kationen Na⁺ und den Anionen Cl^- aufgebaut. Es liegt also Natrium und Chlor im Verhältnis 1:1 vor und bei dieser Verhältnisformel ist das Besondere, dass sich die positiven und negativen Ladungen aufheben müssen. Tatsächlich ist es aber nicht immer ganz so einfach. Am Beispiel des Salzes Calciumchlorid (CaCl₂) würdest du jetzt denken, dass es ja eigentlich gar kein 🧂 sein kann, weil die Kationen und Anionen sich nicht aufheben oder? Calcium ist aber ein zweiwertiges Kation. Calcium steht in der 2. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente (PSE) und muss deshalb zwei Elektronen abgeben, um die Oktettregel zu erfüllen. Dadurch entsteht das zweiwertige Calcium-Kation (Ca²⁺), welches also zweifach positiv geladen ist. Hier eine kleine Tabelle mit einigen Kationen und Anionen und den dazugehörigen Ladungen:

Die kovalente Bindung tritt zwischen Nichtmetallen auf, wobei hier keine Elektronenübertragung wie bei der Reaktion von Metallen mit Nichtmetallen auftritt, sondern die Atome sich über gemeinsame Elektronenpaare aneinanderbinden. Das Ziel ist aber trotzdem dasselbe: die Edelgaskonfiguration erreichen. Die kovalente Bindung kann in eine Einfachbindung, eine Doppelbindung und eine Dreifachbindung unterschieden werden.

Die 1️⃣-fachbindung besteht lediglich aus einem Elektronenpaar, welches sich von zwei Atomen geteilt wird. Die Doppelbindung (du kannst es dir bestimmt schon denken 😄) besteht aus zwei Elektronenpaaren, die sich geteilt werden und die 3️⃣-fachbindung dann aus drei geteilten Elektronenpaaren.

Die Metallbindung tritt, wie der Name schon verrät, bei Metallen auf. Aber auch in Legierungen, die aus einem Gemisch von mindestens einem Metall bestehen, kommt die metallische Bindung vor. Tatsächlich sind sogar in etwa 80 % aller Elemente im Periodensystem Metalle. Da diese Grenze aber unscharf verläuft, werden diese Grenzelemente als Halbmetalle bezeichnet. Also sind das ganz schön viele Möglichkeiten für das Vorkommen einer Metallbindung 😲

Da Metall-Atome relativ niedrige Ionisierungsenergien und Elektronegativitäten besitzen, geben sie ihre Außenelektronen recht schnell ab. Dadurch, dass die Valenzelektronen abgegeben werden, wird Elektronengas gebildet. Das Elektronengas kann dann allen involvierten Metall-Atomen dienlich sein, um die Elektronengaskonfiguration zu erlangen. Die im Elektronengas frei beweglichen Elektronen sorgen für die charakteristisch metallischen Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, metallischer Glanz und Verformbarkeit.

Genau wie bereits bei der Ionenbindung entstehen auch Metallbindungen durch Anziehungskräfte. Die Anziehungskräfte entstehen zwischen positiv geladenen Metall-Kationen bzw. Atomrümpfen und den negativ geladenen Elektronen der Metalle. Die negativen Elektronen umschließen die positiven Ionen, wodurch der Zusammenhalt in den Metallen entsteht. Um die Entstehung der Metallbindung detaillierter zu betrachten, werden zwei Modelle herangezogen. Einmal das Elektronengasmodell und einmal das Bändermodell.

Wasserstoffbrückenbindung... Der Name verrät schon was, oder? 😄 Tatsächlich ist bei dieser Wechselwirkung ein Wasserstoffatom beteiligt! Die Wasserstoffbrückenbindung ist die stärkste zwischenmolekulare Wechselwirkung und entsteht zwischen einem Wasserstoffatom, welches an ein Molekül gebunden ist, und einem stark elektronegativen Atom eines zweiten Moleküls. Oft ist das Atom des zweiten Moleküls Stickstoff (N), Sauerstoff (O) oder Fluor (F). Außerdem braucht das elektronegative Atom mindestens ein freies Elektronenpaar.

Zwei Situationen sorgen für die Entstehung einer Wasserstoffbrückenbindung. Einmal zwischen zwei Molekülen, so wie oben beschrieben, oder aber zwischen zwei voneinander getrennten Abschnitten eines größeren Makromoleküls. Damit diese Bindungen überhaupt zustande kommen, muss sich das Wasserstoffatom an ein Atom binden, welches eine deutlich höhere Elektronegativität hat. Das elektronegative Atom besitzt mindestens ein freies Elektronenpaar. Damit du das Ganze besser nachvollziehen kannst, möchte ich dir ein Beispiel für eine Wasserstoffbrückenbindung geben und was eignet sich dazu besser als Wasser selbst 🌊

Ein Wassermolekül (H₂O) besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Die Wasserstoffbrückenbindung bildet sich hierbei zwischen den zwei Wasserstoffatomen der zwei fremden Wassermoleküle und dem Sauerstoffatom eines Wassermoleküls. Jedes Wassermolekül kann insgesamt vier Wasserstoffbrückenbindungen eingehen, indem sich die zwei Wasserstoffatome an zwei andere Sauerstoffatome binden und das eigene Sauerstoffatom eine Bindung mit zwei anderen Wasserstoffatomen eingeht. Auf Grund der starken Elektronegativität des Sauerstoffatoms werden die negativen Elektronen des Wasserstoffatoms angezogen, so dass das Sauerstoffatom nun eine negative Teilladung aufweist. Dem Wasserstoffatom fehlen jetzt negative Elektronen, wodurch eine positive Teilladung entsteht. Die negative Teilladung des Sauerstoffatoms tritt nun in Wechselwirkung mit der positiven Teilladung des Wasserstoffatoms. Die Wasserstoffbrückenbindung ist diese erwähnte Wechselwirkung.

Die van-der-Waals-Kräfte kommen durch Anziehung zwischen Dipolen (besitzen einen positiv und einen negativ geladenen Pol) zustande. Sie sind also elektrischer Natur. Im Gegensatz zur Kovalenten Bindung oder der Ionenbindung sind van-der-Waals-Kräfte von schwächerer Natur. Die Wechselwirkungsenergie nimmt sogar mit wachsendem Abstand der Atome oder Moleküle weiter ab. Außerdem solltest du dir merken, dass es sich bei den van-der-Waals-Kräften nicht um eine Bindung handelt, sondern um eine Wechselwirkung. Wie bereits im Einführungstext erwähnt, lassen sich die van-der-Waals-Kräfte in drei Typen unterscheiden: dem Richteffekt, dem Induktionseffekt und dem Dispersionseffekt.

Nun kommen wir mal zu der Entstehung der van-der-Waals-Kräfte: Moleküle bestehen, wie wir bereits wissen, aus zwei oder mehr Atomen, die miteinander verbunden sind (Stichwort kovalente Bindung❗️). In den einzelnen Molekülen sind die Elektronen frei beweglich, dadurch sind die Ladungen innerhalb des Moleküls zeitweise ungleichmäßig verteilt. Ist dann auch noch der größe Abstand zwischen den Ladungen erreicht, wird dieses Phänomen unter dem Begriff Dipol zusammen gefasst. Die positive Ladung eines Moleküls und die negative Ladung eines Nachbarmoleküls ziehen sich gegenseitig an, genau wie bei einem Magneten. Dieser Effekt hat aber zur Folge, dass auch das Nachbarmolekül eine ungleichmäßige Ladungsverteilung aufweist und sich das Ganze so auf die weiteren Moleküle fortsetzt.