In unserer Umwelt begegnen uns die unterschiedlichsten Stoffe: von Gasen wie Sauerstoff oder Stickstoff über Flüssigkeiten wie Wasser und Öl bis zu Feststoffen wie Kochsalz oder Metalle. Alle diese Stoffe setzen sich auf Teilchenebene aus unterschiedlichen Atomen zusammen, die wir im Periodensystem der Elemente finden. Die Chemie beschäftigt sich unter anderem mit der Frage, wie die einzelnen Atome miteinander verbunden sind. Reagieren beispielsweise zwei Nichtmetalle miteinander, bildet sich eine so genannte Elektronenpaarbindung zwischen den Atomen aus. Was zeichnet diese Form des Zusammenhaltes aus? Wir schauen uns das an zwei Beispielen genauer an.
Das Wasserstoff-Molekül
Wenn wir von Wasserstoff sprechen, dann meinen wir in der Regel das entsprechende Gas. Das Gas Wasserstoff besteht aus Wasserstoff-Molekülen. Ein Wasserstoffmolekül setzt sich aus zwei Wasserstoff-Atomen zusammen. Das Wasserstoff-Atom ist das einfachste Atom, das es gibt. Wir finden es im Periodensystem an erster Stelle. Es besteht aus einem Proton im Atomkern und einem Elektron in der Atomhülle. Daher ist das Wasserstoff-Atom elektrisch ungeladen. Wie halten die beiden ungeladenen Atome in einem Wasserstoff-Molekül zusammen?
Die treibende Kraft dahinter ist das Bestreben der Elemente, die sogenannte Edelgaskonfiguration zu erreichen. Was bedeutet das eigentlich und warum ist das so? Die Elemente der 8. Hauptgruppe sind die sogenannten Edelgase. Sie gehen kaum Verbindungen mit anderen Elementen ein. Das heißt sie sind sehr reaktionsträge und somit sehr stabil. Die Edelgase haben jeweils zwei Valenzelektronen auf der ersten Schale und bei mehreren Schalen acht Valenzelektronen. Hat ein Teilchen genauso viele Valenzelektronen wie ein Edelgas-Atom, hat es die Edelgaskonfiguration erreicht und ist damit sehr stabil.
Das Wasserstoff-Atom hat ein Elektron bzw. Valenzelektron. Um die Edelgaskofiguration zu erreichen, benötigt es noch ein weiteres Elektron. Dann hat es genauso viele Valenzelektronen wie ein Helium-Atom. Doch woher kommt das zweite Elektron?
Da jedes Wasserstoff-Atom nur ein Elektron mitbringt und jedes dieser Atome auch noch ein zusätzliches Elektron erhalten möchte, bleibt den Atomen nichts anderes übrig als die beiden Elektronen zu teilen. Kommen sich zwei Wasserstoff-Atome näher, durchdringen sich die Atomhüllen beider Atome, wobei die beiden Elektronen jetzt von beiden Atomen angezogen werden. Dabei bildet sich ein so genanntes Elektronenpaar. Dieses Elektronenpaar befindet sich genau in der Mitte zwischen den beiden Atomen, also im gleichen Abstand zu beiden Atomkernen. Das gemeinsame Elektronenpaar gehört damit beiden Atomen und jedes Atom hat die Edelgaskonfiguration erreicht. Durch das gemeinsame Elektronenpaar halten beide Atome zusammen und es entsteht ein Wasserstoff-Molekül. Diese Form des Zusammenhaltes bezeichnen wir als Elektronenpaarbindung.
Abb. 1 Animation Wasserstoff-Molekül
Das Chlor-Molekül
Wir betrachten als zweites Beispiel das Chlor-Molekül. Dieses setzt sich aus zwei Chlor-Atomen zusammen. Das Chlor-Atom besitzt im Atomkern 17 Protonen und damit in der Hülle auch 17 Elektronen. Diese sind auf drei Schalen verteilt: auf der innersten sind zwei Elektronen, auf der zweiten acht Elektronen und auf der äußeren sieben Elektronen. Ein Chlor-Atom besitzt demnach sieben Valenzelektronen. Das Element Chlor befindet sich in der dritten Periode. Das entsprechende Edelgas in dieser Periode ist Argon, das acht Valenzelektronen hat. Um die Edelgaskonfiguration zu erreichen, hat das Chlor-Atom daher das Bestreben, ein Elektron aufzunehmen. Genau wie beim Wasserstoff-Molekül teilen sich im Chlor-Molekül zwei Chlor-Atome ein gemeinsames Elektronenpaar. Somit liegt auch hier eine Elektronenpaarbindung vor.
Abb. 2 Animation Chlor-Molekül
Das Hydrogenchlorid-Molekül
Ein Hydrogenchlorid-Molekül (Salzsäure) wird aus einem Wasserstoff-Atom und einem Chlor-Atom gebildet. Doch warum wird hier auch ein Molekül gebildet. Um die Edelgaskonfiguration zu erreichen, benötigen beide Atome noch ein Valenzelektron. Dementsprechend kann keins der beiden Atome ein Elektron an den anderen abgeben. Die einzige Möglichkeit, dass beide Atome die Edelgaskonfiguration erreichen ist wieder, dass sie zwei Elektronen teilen. Durch das geteilte Elektronenpaar hat das Wasserstoff-Atom also zwei Valenzelektronen und das Chlor-Atom acht.
Abb. 3 Animation Hydrogenchlorid-Molekül
Mehrfachbindungen
Schauen wir uns als nächstes das Sauerstoff-Atom an. Diesem Atom fehlen zwei Valenzelektronen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Doch wo kommen diese her? Ein weiteres Sauerstoff-Atom wird keine Elektronen abgeben, da es selbst zwei weitere Valenzelektronen benötigt. Es werden also wieder Elektronen geteilt. Da jedem Molekül zwei Valenzelektronen fehlen, stellt jedes Atom zwei Elektronen zum Teilen zur Verfügung. Es werden also insgesamt vier Elektronen geteilt, was bedeutet, dass zwei Elektronenpaarbindungen entstehen. Wenn zwei Elektronenpaarbindungen zwischen zwei Atomen entstehen, sprechen wir von einer Doppelbindung.
Abb. 4 Animation Sauerstoff-Molekül
Bei Stickstoff-Atomen ist es ganz ähnlich. Es fehlen jeweils drei Elektronen zur Edelgaskonfiguration. Es verbinden sich also zwei Atome, wobei jedes Atom drei Elektronen zum Teilen zur Verfügung stellt. Es entstehen also drei Elektronenpaarbindungen zwischen den beiden Atomen. Hier sprechen wir von einer Dreifachbindung.