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Elektronenpaarbindung

Ionenbindung, eine Rekapitulation

Die Atome der Elemente, die im Periodensystem links stehen, geben leicht Elektronen ab. Beispiele hierfür sind die Elemente Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Aluminium etc. Der Grund dafür ist einfach: Durch die Abgabe ihrer wenigen Außenelektronen gelangen diese Atome in den Edelgaszustand (siehe: Oktettregel).

Umgekehrt nehmen die Atome der Elemente, die im Periodensystem rechts stehen, sehr leicht Elektronen auf. Beispiele für solche Elemente sind die Halogene wie Fluor und Chlor, außerdem Sauerstoff, Stickstoff und so weiter. Auch hier ist der Grund recht einfach: Durch die Aufnahme von ein, zwei oder drei Elektronen gelangen diese Atome in den Edelgaszustand.

Das alles ist nichts Neues für Sie, falls Sie das Kapitel über die Ionenbindung durchgearbeitet haben.

Probleme

Elemente, die im Periodensystem in der Mitte stehen, beispielsweise Kohlenstoff, haben ein Problem. Um in den Edelgaszustand zu gelangen, müssen entweder

Beispiel Kohlenstoff: Ein C-Atom müsste entweder

Die Lösung dieses Problems heißt: Elektronenpaarbindung.

Ionenbindung ist keine Lösung des Problems

Stellen Sie sich einen Behälter vor, der mit H-Atomen gefüllt ist. Die H-Atome haben nur ein einziges Elektron in der Außenhülle. Was muss ein H-Atom unternehmen, um in den Besitz eines zweiten Elektrons und somit in den Helium-Zustand zu gelangen?

Zunächst könnte man auf den Gedanken kommen, dass ein H-Atom ein Elektron abgibt und somit zum H+-Kation wird, also zum Proton, und dass ein anderes H-Atom das Elektron aufnimmt und zum H--Ion wird, zum Hydrid-Ion. Nun ist elementarer Wasserstoff aber bei Zimmertemperatur ein Gas. Wäre es eine Ionenverbindung, müsste sie bei Zimmertemperatur fest sein. Sehr fest sogar, wenn man bedenkt, dass Protonen und Hydrid-Ionen sehr viel kleiner sind als beispielsweise Natrium- und Chlorid-Ionen. Die Anziehungskräfte zwischen den Ionen müssten sehr viel größer sein als die zwischen den Natrium- und Chlorid-Ionen im Kochsalz, also müsste auch die Schmelztemperatur um Einiges höher sein. Daraus folgt nun, dass eine Ionenbindung keine Lösung dieses Problems sein kann.

Elektronenpaarbindung

Zwei Wasserstoff-Atome teilen sich zwei Elektronen

Hier sehen wir die Lösung des Problems. Zwei H-Atome teilen sich ihre beiden Elektronen, die beiden Kugelwolken der H-Atome überlappen und die beiden Elektronen bewegen sich in einem gemeinsamen Aufenthaltsraum, "Kugelwolke" oder auch "Orbital" genannt. Jedes H-Atom besitzt nun - zumindest formal - zwei Elektronen und befindet sich daher im Zustand des Edelgases Helium.

Bei der Elektronenpaarbindung überwiegen die Anziehungskräfte

In diesem Bild sind die Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte hervorgehoben, die in dem aus zwei Protonen und zwei Elektronen bestehendem H2-Molekül herrschen. Die Anziehungskräfte überwiegen, daher resultiert insgesamt eine Anziehung der beiden Atome. Da diese Anziehung durch ein Elektronenpaar hervorgerufen wird, bezeichnet man diese Art der Bindung zwischen zwei Atomen auch als Elektronenpaarbindung. Andere Bezeichnungen dafür sind kovalente Bindung oder Molekülbindung. Die beiden Elektronen, die sich in der gemeinsamen Kugelwolke aufhalten und für die Bindung verantwortlich sind, werden Bindungselektronen, gemeinsasmes Elektronenpaar oder bindendes Elektronenpaar genannt.

Elektronenpaarbindung im Chlor-Molekül

Ein Standzylinder, der mit Chlorgas gefüllt ist, enthält viele Chlor-Moleküle Cl2. Wenn lauter Chlor-Atome unter sich sind, besteht das gleiche Problem wie bei den H-Atomen. Es gibt keinen Elektronen-Donator, der bereit ist, den Chlor-Atomen Elektronen zu spenden. Also müssen sich jeweils zwei Chlor-Atome zusammentun.

Zwei Chlor-Atome, strategisch geschickt gezeichnet

Hier sehen wir zwei Chlor-Atome. Ich habe die Chlor-Atome bereits so gezeichnet, dass eigentlich jeder von Ihnen erkennen müsste, was als Nächstes passiert.

Elektronenpaarbindung zwischen zwei Chlor-Atomen

Die beiden einfach besetzten Kugelwolken der Chlor-Atome überlappen, so dass eine gemeinsame Kugelwolke mit einem Elektronenpaar entsteht. Ein Chlor-Molekül ist entstanden.

Elektronenpaarbindung im Wasser-Molekül

Ein Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atome

Hier sehen wir die Ausgangssituation. Wasserstoff-Atome und Sauerstoff-Atome befinden sich im gleichen Gefäß. Nun könnten sich - so wie oben beschrieben - jeweils zwei H-Atome zu einem H2-Molekül und je zwei O-Atome zu einem O2-Molekül zusammentun. Allerdings gibt es einen Weg, sich die Elektronen zu teilen, der noch effektiver ist, der zu einem noch energieärmeren Endzustand führt, nämlich die Bildung eines H2O-Moleküls.

Das O-Atom besitzt zwei einfach besetzte Kugelwolken. Jede dieser beiden Kugelwolken kann nun mit der einfach besetzten Kugelwolke eines H-Atoms überlappen:

Bildung eines Wasser-Moleküls

So bildet sich ein H2O-Molekül. Lässt man gasförmigen Wasserstoff mit gasförmigem Sauerstoff in einem Gefäß reagieren, so setzt eine exotherme chemische Reaktion ein, es bildet sich Wasser. Offensichtlich ist für die H- und O-Atome der Zustand "Wasser" energetisch günstiger als der Zustand "Mischung aus H2 und O2". Tatsächlich ist Wasser eines der stabilsten Moleküle überhaupt. Dies ist auch der Grund dafür, dass es zahlreiche chemische Reaktionen gibt, bei denen Wasser-Moleküle entstehen. Denken Sie beispielsweise nur an die Reaktion von Glucose und Fructose zu Saccharose, aus den beiden Monosacchariden bildet sich unter Abgabe von Wasser ein Disaccharid. Oder aus zwei Aminosäuren bildet sich unter Abgabe von Wasser ein Dipeptid. Solche Kondensationsreaktionen kommen sehr häufig in der organischen Chemie vor, unter anderem auch bei der Esterbildung, wo sich ein Alkohol und eine Carbonsäure zu einem Ester-Molekül vereinigen - unter Austritt eines Wasser-Moleküls.

Bindende und freie Elektronenpaare im Wasser-Molekül

In dieser Abbildung habe ich die bindenden Elektronenpaare und die freien Elektronenpaare des Wasser-Moleküls einmal hervorgehoben, damit Ihnen dieser wichtige Unterschied klar wird.

Ammoniak und Methan

Und ganz am Ende dieses Abschnitts noch zwei weitere wichtige Moleküle, die uns in der Chemie immer wieder begegnen, Ammoniak und Methan.

Das Ammoniak-Molekül

Hier das Ammoniak-Molekül. Die Strukturformel habe ich auf das Kugelwolkenmodell aufgezeichnet, damit Sie sich schon einmal an die einfachere LEWIS-Schreibweise gewöhnen. Bindende Elektronenpaare werden hier durch Striche zwischen den Atomen dargestellt, freie Elektronenpaare durch kurze Striche an den Atomen. Beim N-Atom ist das freie Elektronenpaar gut zu erkennen.

Das Methan-Molekül

Und hier schließlich das Methan-Molekül mit seiner LEWIS-Strukturformel. Freie Elektronenpaare sind am C-Atom nicht zu finden, alle vier Kugelwolken sind einfach besetzt und überlappen mit den Kugelwolken von vier H-Atomen.

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