Home > Chemie > Sekundarstufe 2 > Atombau und chem. Bindung > Elektronenpaarbindung

Elektronenpaarbindung

Atombau - Oktettregel - Ionenbindung - Elektronenpaarbindung - Metallbindung - Elektronegativität

Ionenbindung, eine Rekapitulation

Die Atome der Elemente, die im Periodensystem links stehen, geben leicht Elektronen ab. Beispiele hierfür sind die Metalle Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Aluminium etc. Der Grund dafür ist einfach: Element links im PSE haben nur ein, zwei oder drei Außenelektronen. Die Atome dieser Elemente müssen diese wenigen Außenelektronen abgeben, und schon befinden sie sich im Edelgaszustand (siehe: Oktettregel).

Umgekehrt nehmen die Atome der Elemente rechts im Periodensystem 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: Die Atome dieser Elemente müssen nur ein, zwei oder drei Elektronen aufnehmen, und schon ist ihre Außenschale vollständig gefüllt und sie haben den Edelgaszustand erreicht.

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

Probleme

Was ist aber mit den Elementen, die ungefähr in der Mitte des PSE stehen. Was müssen Elemente wie Kohlenstoff oder Silicium (4. Hauptgruppe) machen, um in den Edelgaszustand zu gelangen?

Um in den Edelgaszustand zu gelangen, müssen die Atome von Kohlenstoff oder Silicium entweder

  • vier Elektronen aufnehmen oder
  • vier Elektronen abgeben.

Würde Kohlenstoff vier Elektronen abgeben, so wäre das erstens sehr energieaufwendig und zweitens würde der Kohlenstoff dann als vierwertig positives Kation vorliegen. Kohlendioxid wäre dann eine Ionenverbindung - und was für eine! Die vierwertig positiven Kohlenstoff-Ionen würden die zweiwertig negativen Sauerstoff-Ionen extrem stark anziehen. Kohlendioxid wäre dann bei Zimmertemperatur ein extrem harter Feststoff! Wie wir aber wissen, ist CO2 bei Zimmertemperatur gasförmig. Also kann an der "Ionenhypothese" irgendetwas nicht stimmen. Was macht das C-Atom aber dann, um in den Genuss eines Edelgaszustandes zu kommen?

Die Lösung dieses Problems heißt: Elektronenpaarbindung.

Elektronenpaarbindung

Das C-Atom ist mit seinen vier Außenelektronen schon recht komplex aufgebaut. Wir wollen das Prinzip der Elektronenpaarbindung (auch kovalente Bindung oder Molekülbindung genannt) an dem denkbar einfachsten Beispiel kennenlernen, dem Wasserstoff-Molekül.

Zwei Wasserstoff-Atome teilen sich zwei Elektronen

Bei der Elektronenpaarbindung nähern sich zwei H-Atome so weit an, dass ihre Kugelwolken überlappen. Es bildet sich eine gemeinsame Kugelwolke. Da jedes H-Atom ein Elektron besitzt, befinden sich in dieser gemeinsamen Kugelwolke jetzt genau zwei Elektronen. Jedes Elektron kann sich in der gesamten Kugelwolke aufhalten.

Jedes H-Atom besitzt nun - zumindest formal - zwei Elektronen und befindet sich daher im Zustand des Edelgases Helium.

Was hält jetzt das Molekül zusammen?

Schön und gut, beide H-Atome befinden sich jetzt im Edelgaszustand. Das ist ja fast so, als hätte Irmgard 900.000 Euro und Karl 300.000 Euro. Wenn nun beide heiraten, besitzen sie zusammen 1.200.000 Euro. Beide können nun behaupten: "Ich bin Millionär!". Genau so kann jetzt jedes H-Atom behaupten: "Ich habe zwei Elektronen!".

Aber wieso bleiben die beiden H-Atome überhaupt zusammen. Was hält das H2-Molekü eigentlich zusammen. Betrachten wir dazu das nächste Bild:

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

Betrachten wir nun einen etwas komplizierteren Fall, nämlich das Element Chlor. Vom Chlor wissen wir, dass die Atome "gern" ein zusätzliches Elektron aufnehmen, um in den Argon-Zustand zu gelangen. Allerdings muss dazu ein passender Elektronendonator anwesend sein. Gibt man Chlor mit Natrium in ein Gefäß, so ist das kein Problem. Natrium gibt sofort sein einziges Außenelektron ab, und die Chlor-Atome nehmen das abgegebene Elektron auf (Donator-Akzeptor-Prinzip).

Was aber, wenn kein Elektronendonator wie Natrium vorhanden ist. Wenn die Chlor-Atome nur unter sich sind? Was dann passiert, sehen wir in den nächsten beiden Bildern:

Zwei Chlor-Atome, strategisch geschickt gezeichnet

Hier sehen wir zwei Chlor-Atome. Jedes Chlor-Atom besitzt eine nur einfach besetzte Kugelwolke. Das erinnert doch irgendwie an die beiden H-Atome, die ebenfalls je eine einfach besetzte Kugelwolke besitzen...

Elektronenpaarbindung zwischen zwei Chlor-Atomen

Genau wie die Kugelwolken der beiden H-Atome überlappen hier die beiden einfach besetzten Kugelwolken der Chlor-Atome, 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

In diesem Bild sehen wir ein Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atome. 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.

Warum ist diese Darstellung nicht so ganz realistisch?

Lässt man gasförmigen Wasserstoff mit gasförmigem Sauerstoff in einem Gefäß reagieren, so setzt eine exotherme chemische Reaktion ein, es bildet sich Wasser nach der bekannten Reaktionsgleichung

$2 H_{2_{(g)}} + O_{2_{(g)}} \to 2 H_{2}O_{(l)}$

Gasförmiger Wasserstoff und gasförmiger Sauerstoff treten also immer in Form von zweiatomigen Molekülen auf. In diesem Zustand befinden sich die H- und O-Atome bereits in dem idealen Edelgaszustand. Was bewegt nun die Atome der Ausgangsstoffe, ihre energetisch günstige Situation aufzugeben und sich zu Wasser-Molekülen umzulagern?

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 wurden die bindenden Elektronenpaare und die freien Elektronenpaare des Wasser-Moleküls 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 wurde 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.

Seitenanfang -
Atombau - Oktettregel - Ionenbindung - Elektronenpaarbindung - Metallbindung - Elektronegativität