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4 Dinge, die ihr über die chemische Bindung wissen solltet – Teil 1

geschrieben von Ole

Nach dem kurzen Überblick in der letzten Woche nehmen wir heute die kovalente Bindung in Angriff. Die kovalente Bindung ist in jedem organischen Molekül zu finden. In den Strukturformeln wird sie mit einem Strich zwischen zwei Atomen dargestellt. In der abgekürzten und primär genutzten Zick-Zack Schreibweise repräsentieren ebenfalls die Striche die Bindungen und die Ecken stehen für die Kohlenstoffatome.

Verschiedene Moleküle in verschiedenen Schreibweisen. Links die Schreibweise in der jede kovalente Bindung als Strich eingezeichnet ist. In der Mitte die verkürzte Schreibweise, die H-Atome ignoriert. Rechts das H~2 Molekül

Verschiedene Moleküle in verschiedenen Schreibweisen. Links die Schreibweise in der jede kovalente Bindung als Strich eingezeichnet ist. In der Mitte die verkürzte Schreibweise, die H-Atome ignoriert. Rechts das H~2 Molekül.

Bei der kovalenten Bindung handelt es sich um eine Elektronenpaarbindung. Zwei Atome werden durch dieses Elektronenpaar zusammengehalten.
Die Frage ist jetzt: Warum?

Periodensystem der Elemente (Bild: gemeinfrei).

Periodensystem der Elemente (Bild: gemeinfrei).

Um das zu beantworten werfen wir einen Blick in das Periodensystem der Elemente. Ganz rechts in der äußersten Spalte befinden sich die so genannten Edelgase. Edelgase sind absolut (wenigstens fast, aber das führt jetzt zu weit) unreaktiv. Wenn in der Chemie etwas unreaktiv ist, heißt dies [oft], dass sich das Atom oder Molekül im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Das thermodynamische Gleichgewicht könnte man auch als den chemischen Tod bezeichnen, denn etwas aus diesem Gleichgewicht herauszubekommen bedarf einer großen Menge Energie. Die Edelgasatome befinden sich scheinbar in einem sehr erstrebenswerten Zustand, weshalb wir uns die Atome an sich mal etwas genauer anschauen.
Die Zeilen (Perioden) im Periodensystem repräsentieren die Schalen in denen sich die äußersten Elektronen aufhalten. Von Schalen zu sprechen bereitet dem Chemiker jedoch große Kopfschmerzen, da die Bezeichnung eine örtliche Komponente impliziert, die nicht besteht. Es gibt verschiedene Modelle um sich die elektronischen Eigenschaften eines Atoms genauer anzusehen, meist wird dann das so genannte Orbitalmodell verwendet. Die Erklärung dessen führt hier und jetzt aber zu weit und die Vorstellung von Schalen um den Atomkern funktioniert als Erklärung für die kovalente Bindung. Ihr solltet nur im Hinterkopf behalten, dass es sich dabei um ein falsches Modell handelt. Jede Schale kann dabei von einer fest definierten Anzahl an Elektronen besetzt werden. In die erste Schale passen zwei, in die zweite acht, …
Des Weiteren nimmt die Anzahl der Elektronen von links nach rechts im Periodensystem zu. Bei den Edelgasatomen sind also die Schalen maximal besetzt. Das genau ist der Zustand, den jedes Atom gerne einnehmen würde.
Schauen wir uns als Beispiel einmal das Wasserstoffmolekül H~2 an. Das einzelne Wasserstoffatom  besitzt nur ein Elektron. Es steht zudem in der ersten Periode, in die entsprechende Schale passen zwei Elektronen. Es fehlt also ein Elektron für den optimalen Zustand.
Wenn man nun zwei Wasserstoffatome annähert werden diese eine kovalente Bindung eingehen. Dafür stellt jedes Atom sein Elektron zur Verfügung. Die Elektronen sind nun nicht mehr den einzelnen Kernen zuzuschreiben sondern befinden sich gemeinsam irgendwo in der Nähe der beiden Atomkerne. Die Atomkerne teilen sich die beiden Elektronen. Das Molekül erfüllt jetzt die Edelgaskonfiguration, da es analog zum Helium zwei Valenzelektronen zur Verfügung hat. Die Struktur könnt ihr auch in der ersten Abbildung sehen.
Für die Elemente bis zur zweiten Periode gilt zudem die Oktett-Regel. Diese besagt, dass jedes Atom idealerweise 8 äußere Elektronen (Valenzelektronen) besitzen möchte.
Schauen wir uns das an einem Kohlenstoffatom in dem Molekül Ethan (Linke Struktur in oberer Abbildung) an. Jedes Kohlenstoff geht vier Elektronenpaarbindungen (je 3 zu Wasserstoffen und eine zu einem Kohlenstoffatom) ein. Zählen wir nun die beteiligten Elektronen kommen wir darauf, dass jedes Kohlenstoffatom von 8 in Bindungen befindlichen Elektronen umgeben ist, damit ist die Oktett-Regel erfüllt. Gleichzeitig befinden sich die Kohlenstoffe auch in der Edelgaskonfiguration des Neons.
Die kovalente Bindung gehört mit zu den stärksten Wechselwirkung zwischen Atomen, die Stärke der Bindung liegt in einem Bereich von 350 kJ/mol.

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Ole

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