Atombau

Atombau und Chemische Bindung

Ein Crashkurs

Die Elektronenpaarbindung (Fo 13 - 14)

Bei der Bildung des Chlormoleküls überlappen die beiden einfach besetzten Kugelwolken der Chloratome.
Es bildet sich eine gemeinsame Kugelwolke, die ein Elektronenpaar bzw. zwei Bindungselektronen enthält und somit vollbesetzt ist (Elektronenpaarbindung).
Eine andere Bezeichnung für diesen Bindungstyp ist kovalente Bindung. In vielen Schulbüchern verwendet man auch den Begriff Molekülbindung.

Hat hier wirklich jedes Atom die Edelgaskonfiguration? Betrachten wir dazu das linke Chloratom des Cl2-Moleküls.

Wenn wir die gemeinsame Kugelwolke mitberücksichtigen, kommen wir tatsächlich auf 8 Elektronen oder 4 vollbesetzte Kugelwolken. Das gleiche gilt für das rechte Chloratom des Moleküls. Auch hier zählen wir 4 vollbesetzte Kugelwolken. Der Trick: wir müssen die gemeinsame Kugelwolke für jedes Atom berücksichtigen.

Welche Aussagen lassen sich über die physikalischen Eigenschaften (Schmelzpunkt, Siedepunkt, Dichte) von Stoffen mit kovalenten Bindungen machen (z.B. Ammoniak, Methan, Kohlendioxid)?

Bei Ionenverbindungen, also z.B. den meisten Salzen, deren Kristalle aus positiven und negativen Ionen bestehen, herrschen sehr hohe Anziehungskräfte zwischen den atomaren Bausteinen, den Ionen. Dadurch bedingt haben Ionenverbindungen sehr hohe Schmelz- und Siedepunkte und meistens auch eine recht hohe Dichte (obwohl die Dichte auch ziemlich stark von den Atom- bzw. Molekülmassen der kleinsten Teilchen abhängt und nicht so sehr von den Anziehungskräften).

Im Gegensatz dazu bilden Verbindungen wie Ammoniak, Methan etc. keine Ionenkristalle. Zwar kristallisieren auch diese Stoffe, wenn man sie genügend abkühlt, doch werden die Moleküle dann nicht durch elektrische Anziehungskräfte zwischen Ionen zusammengehalten, sondern durch andere, wesentlich schwächere Anziehungskräfte. Dementsprechend niedrig sind die Schmelz- und Siedepunkte dieser Stoffe. Bei Zimmertemperatur sind sie meistens gasförmig oder flüssig. Entsprechend niedrig ist dann auch die Dichte. Obwohl es durchaus Molekülverbindungen mit recht hoher Dichte gibt, vor allem, wenn schwere Nichtmetallatome wie Brom oder Iod beteiligt sind.

Das Methanmolekül (Fo 15)

Die Abbildung zeigt das Zustandekommen des Methanmoleküls. Hier haben wir nicht - wie beim Chlor - zwei gleiche Atome, die sich vereinigen, sondern gleich fünf Atome: ein C-Atom und vier H-Atome.

Das C-Atom zeichnet sich durch vier einfach besetzte Kugelwolken aus (es gibt eine Regel, nach der jede Kugelwolke zunächst ein Elektron aufnehmen muss. Erst wenn alle vier Kugelwolken eines Atoms je ein Elektron enthalten, darf eine Kugelwolke ein zweites Elektron aufnehmen).

Die H-Atome haben nach dem Schalenmodell nur zwei Elektronen auf der inneren Schale, der K-Schale. Entsprechend hat das H-Atom nach dem KWM nur eine Kugelwolke, die den Atomkern symmetrisch umgibt. In dieser Kugelwolke hält sich dann ein Elektron auf.

Nichtsdestotrotz kann diese eine Kugelwolke mit einer einfach besetzten Kugelwolke eines anderen Atoms überlappen. Genau dies passiert bei der Methanbildung. Jede Kugelwolke des C-Atoms überlappt mit der Kugelwolke eines H-Atoms. Es entstehen vier kovalente C-H-Bindungen.

Da die vier Kugelwolken des C-Atoms tetraederförmig angeordnet sind, werden auch die vier C-H-Bindungen tetraederförmig sein.

Hier sehen wir verschiedene Darstellungen eines Methanmoleküls:

a) Summenformel
b) Strukturformel
c) Stäbchenmodell (Photo)
d) Kalottenmodell (Zeichnung)

Das Wassermolekül (Fo 16 - 17)

Das Wassermolekül entsteht, wenn sich ein Sauerstoff-Atom mit zwei Wasserstoff-Atomen vereinigt. Das O-Atom hat zwei einfach besetzte Kugelwolken, die mit den Kugelwolken von zwei H-Atomen überlappen können.

Obwohl Wasser eine Molekülverbindung ist, und keine Ionenverbindung, hat es einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt von 100°C. Auch der Schmelzpunkt von 0°C ist - im Vergleich mit anderen Molekülverbindungen ähnlicher Molekülmasse - recht hoch. Wie kommt das?

Das Kohlendioxidmolekül

Das Kohlendioxidmolekül entsteht, wenn sich ein C-Atom (Mitte) mit zwei O-Atomen vereinigt. Jedes O-Atom hat zwei einfach besetzte Kugelwolken, kann also zwei kovalente Bindungen zum C-Atom ausbilden. Die folgende Abbildung zweigt das Kohlendioxidmolekül mit seinen beiden C=O - Doppelbindungen.

Polare Bindungen

Betrachten wir die Abbildung genauer, sehen wir, dass sich die Bindungselektronen nicht gleichmäßig verteilt in den gemeinsamen Kugelwolken aufhalten, sondern näher beim Sauerstoffatom. Diese Zeichnung gibt den tatsächlichen Sachverhalt allerdings nicht korrekt wieder. Schließlich ist es nur eine Zeichnung eines Modelles - sozusagen das Modell eines Modells.

In Wirklichkeit (?) halten sich die beiden Bindungselektronen überall in der Kugelwolke auf. An manchen Stellen (ungefähr in der Mitte) mit höherer Wahrscheinlichkeit, an anderen Stellen (am Rand) mit geringerer Wahrscheinlichkeit. Zumindest bei unpolaren Verbindungen wie z.B. Methan. Wasser ist dagegen eine polare Verbindung. Das O-Atom zieht die Bindungselektronen stärker an als das H-Atom. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron in der Nähe des O-Atoms zu finden, etwas größer als die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron in der Nähe des H-Atoms zu finden. Umgangssprachlich kann man dann sagen, dass sich die Elektronen eher am O-Atom aufhalten.

Die Folge ist jetzt logisch: die gemeinsame Kugelwolke ist polarisiert. In der Nähe des O-Atoms sind pro Zeiteinheit mehr negative Ladungen anzutreffen als in der Nähe des H-Atoms. Umgangssprachlich kann man das vereinfachen: in der Nähe des O-Atoms ist die Kugelwolke negativer als in der Nähe des H-Atoms. Die H-O-Bindung ist polarisiert. Man spricht auch von einer polaren kovalenten Bindung oder kurz von einer polaren Bindung.

Betrachtet man sich nun das gesamte Wassermolekül, so erkennt man, dass es zwei Pole hat. Einen negativen Pol - nämlich dort, wo die beiden doppelt besetzten Kugelwolken des O-Atoms sind, und einen positiven Pol, nämlich dort, wo die beiden H-Atome sind. Das Wassermolekül ist daher ein Dipol. Die Folge ist, dass sich Wassermoleküle gegenseitig recht stark anziehen: der positive Pol des einen Moleküls zieht den negativen Pol eines anderen Moleküls an und so weiter. Dies erklärt den recht hohen Schmelz- und Siedepunkt des Wassers.

Aus Zeitgründen können wir nicht näher auf dieses interessante Thema eingehen, schließlich handelt es sich bei diesem Skript ja nur um einen Crashkurs. Wer mehr Einzelheiten wissen möchte, sollte sich die entsprechenden Kapitel in meinen Seiten für die Klassen 9 und 10 anschauen (allerdings sind diese Seiten noch unvollständig).
 
 

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