Was ist chemische Bindung?
Chemische Bindung entsteht, wenn zwei oder mehr Atome sich zu einem Molekül verbinden. Es ist ein allgemeines Prinzip in der Wissenschaft, dass alle Systeme versuchen werden, ihr niedrigstes Energieniveau zu erreichen, und eine chemische Bindung findet nur statt, wenn sich ein Molekül bilden kann, das weniger Energie hat als seine nicht kombinierten Atome. Die drei Hauptbindungstypen sind ionisch, kovalent und metallisch. Bei all diesen handelt es sich um Elektronen, die sich auf verschiedene Weise zwischen Atomen bewegen. Ein anderer, viel schwächerer Typ ist die Wasserstoffbindung.
Atomare Struktur
Atome bestehen aus einem Kern mit positiv geladenen Protonen, der von einer gleichen Anzahl negativ geladener Elektronen umgeben ist. Normalerweise sind sie daher elektrisch neutral. Ein Atom kann jedoch ein oder mehrere Elektronen verlieren oder gewinnen, wodurch es eine positive oder negative Ladung erhält. Hat man eine elektrische Ladung, spricht man von einem Ion.
Es sind die Elektronen, die an der chemischen Bindung beteiligt sind. Diese Teilchen sind in Schalen angeordnet, die in zunehmendem Abstand vom Kern als vorhanden angesehen werden können. Je weiter die Hüllen vom Kern entfernt sind, desto mehr Energie haben sie im Allgemeinen. Die Anzahl der Elektronen, die eine Hülle einnehmen können, ist begrenzt. Zum Beispiel hat die erste, innerste, Shell ein Limit von zwei und die nächste Shell ein Limit von acht.
In den meisten Fällen sind nur die Elektronen in der äußersten Schale an der Bindung beteiligt. Diese werden oft als Valenzelektronen bezeichnet . In der Regel neigen Atome dazu, sich so miteinander zu verbinden, dass sie alle volle Außenhüllen erhalten, da diese Konfigurationen in der Regel weniger Energie haben. Eine Gruppe von Elementen, die als Edelgase bekannt sind - Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon - haben bereits volle Außenhüllen und bilden daher normalerweise keine chemischen Bindungen. Andere Elemente werden im Allgemeinen versuchen, eine Edelgasstruktur zu erreichen, indem sie Elektronen abgeben, annehmen oder mit anderen Atomen teilen.
Chemische Bindungen werden manchmal als Lewis-Struktur bezeichnet , benannt nach dem amerikanischen Chemiker Gilbert N. Lewis. In einer Lewis-Struktur werden die Valenzelektronen durch Punkte direkt außerhalb der chemischen Symbole für die Elemente in einem Molekül dargestellt. Sie zeigen deutlich, wo sich Elektronen von einem Atom zum anderen bewegt haben und wo sie von Atomen geteilt werden.
Ionische Bindung
Diese Art der chemischen Bindung findet statt zwischen Metallen, die leicht Elektronen abgeben, und Nichtmetallen, die diese annehmen möchten. Das Metall gibt die Elektronen in seiner unvollständigen äußersten Schale an das Nichtmetall ab, wobei diese Schale leer bleibt, so dass die volle Schale darunter ihre neue äußerste Schale wird. Das Nichtmetall nimmt Elektronen auf, um seine unvollständige äußerste Hülle auszufüllen. Auf diese Weise haben beide Atome volle Außenschalen erreicht. Dies lässt das Metall mit einer positiven Ladung und das Nichtmetall mit einer negativen Ladung zurück, sodass es sich um positive und negative Ionen handelt, die sich gegenseitig anziehen.
Ein einfaches Beispiel ist Natriumfluorid. Natrium hat drei Schalen mit einem Valenzelektronen im äußersten Bereich. Fluor hat zwei Schalen mit sieben Elektronen im äußersten Bereich. Das Natrium gibt sein einwertiges Elektron an das Fluoratom ab, so dass das Natrium nun zwei vollständige Schalen und eine positive Ladung hat, während das Fluor zwei vollständige Schalen und eine negative Ladung hat. Das resultierende Molekül - Natriumfluorid - besteht aus zwei Atomen, deren äußere Hüllen durch elektrische Anziehung miteinander verbunden sind.
Kovalente Bindung
Nichtmetallatome verbinden sich miteinander, indem sie Elektronen so teilen, dass sie ihr Gesamtenergieniveau senken. Dies bedeutet normalerweise, dass sie in Kombination alle volle Außenhüllen haben. Um ein einfaches Beispiel zu nennen: Wasserstoff hat nur ein Elektron in seiner ersten - und einzigen - Hülle, so dass es eine kurze, volle Hülle hat. Zwei Wasserstoffatome können ihre Elektronen teilen, um ein Molekül zu bilden, in dem beide eine vollständige äußere Hülle haben.
Aus der Anzahl ihrer Elektronen lässt sich oft vorhersagen, wie sich Atome miteinander verbinden. Zum Beispiel hat Kohlenstoff sechs, was bedeutet, dass er eine volle erste Schale von zwei und eine äußerste Schale von vier hat, so dass er vier kurz vor einer vollen Außenschale bleibt. Sauerstoff hat acht und sechs in seiner äußeren Hülle - zwei kurz vor einer vollen Hülle. Ein Kohlenstoffatom kann sich mit zwei Sauerstoffatomen zu Kohlendioxid verbinden, wobei der Kohlenstoff seine vier Elektronen, zwei mit jedem Sauerstoffatom, teilt und die Sauerstoffatome wiederum jeweils zwei ihrer Elektronen mit dem Kohlenstoffatom teilen. Auf diese Weise haben alle drei Atome volle Außenhüllen, die acht Elektronen enthalten.
Metallische Bindung
In einem Stück Metall können sich die Valenzelektronen mehr oder weniger frei bewegen, anstatt zu einzelnen Atomen zu gehören. Das Metall besteht daher aus positiv geladenen Ionen, die von mobilen, negativ geladenen Elektronen umgeben sind. Die Ionen können relativ leicht bewegt werden, sind jedoch aufgrund ihrer Anziehungskraft auf die Elektronen schwer abzulösen. Dies erklärt, warum Metalle im Allgemeinen leicht zu biegen, aber schwer zu brechen sind. Die Beweglichkeit der Elektronen erklärt auch, warum Metalle gute elektrische Leiter sind.
Wasserstoffbrückenbindung
Im Gegensatz zu den obigen Beispielen beinhaltet die Wasserstoffbindung die Bindung zwischen und nicht innerhalb von Molekülen. Wenn sich Wasserstoff mit einem Element verbindet, das Elektronen stark anzieht, wie Fluor oder Sauerstoff, werden die Elektronen vom Wasserstoff weggezogen. Dies führt zu einem Molekül mit einer positiven Gesamtladung auf der einen Seite und einer negativen Ladung auf der anderen Seite. In einer Flüssigkeit ziehen sich die positiven und negativen Seiten an und bilden Bindungen zwischen den Molekülen.
Obwohl diese Bindungen viel schwächer sind als ionische, kovalente oder metallische Bindungen, sind sie sehr wichtig. Wasserstoffbrückenbindung findet in Wasser statt, einer Verbindung, die zwei Wasserstoffatome und eines Sauerstoffatoms enthält. Dies bedeutet, dass mehr Energie benötigt wird, um flüssiges Wasser in ein Gas umzuwandeln, als dies sonst der Fall wäre. Ohne Wasserstoffbrückenbindung hätte Wasser einen viel niedrigeren Siedepunkt und könnte nicht als Flüssigkeit auf der Erde existieren.