Die Bindungslehre – einmal anders

Chemische Bindungen, Elektronenwolken, zwischenmolekulare Wechselwirkungen
© Jürgen Schnittker und Christian Herdt

Bindungslehre ohne Oktettregel, Formalladungen und HybridorbitaleGünter Baars

Die dominierenden Bausteine des gesamten Universums und damit der Schlüssel zum Verständnis der Wissenschaft Chemie sind Protonen und Elektronen.
Aufgrund ihrer Ladung üben Protonen und Elektronen elektrostatische Kräfte (Coulomb-Kräfte) aufeinander aus. Eng verknüpft mit den Coulomb-Kräften sind die Begriffe Energie, potenzielle und kinetische Energie, Arbeit, Prinzip vom Energieminimum und Energieerhaltung. Eine ergänzende Betrachtung der zufälligen Teilchenbewegung und der damit verbundenen Frage nach der Wahrscheinlichkeit chemischer Zustände ermöglicht, zusammen mit den elektrostatischen Kräften, ein tiefes Verständnis für den Ablauf chemischer Reaktionen und die Ursachen der Eigenschaften von Stoffen. Deshalb sollten Kräfte und Energie einerseits sowie die Frage nach den Folgen der Wahrscheinlichkeit der zufälligen Teilchenbewegung andererseits den roten Faden eines Chemielehrgangs bilden. Grundlage hierfür ist die Frage, weshalb und wie sich die Atome der Elemente zu größeren Einheiten zusammenschließen. Bei der im Folgenden skizzierten Bindungslehre wird bewusst auf die Verwendung von Oktettregel, Formalladungen und Hybridorbitalen verzichtet [1].
Grundlagen einer Bindungslehre
Das Coulomb-Gesetz; die Coulomb-Kräfte
Jede Art von Materie enthält gleich viele Protonen und Elektronen in ihren kleinsten Bausteinen. Stört man dieses Gleichgewicht, so wirken Kräfte zwischen den nunmehr geladenen Teilchen. Dies lässt sich sehr schön mit Kunststoff- und Glasstäben zeigen, die drehbar aufgehängt sind: Gleich geladene Körper stoßen sich ab, ungleichartig geladene ziehen sich an. Mit einem Elektroskop kann außerdem gezeigt werden, dass sich entgegengesetzte Ladungen aufheben. Quantitative Experimente führen schließlich zur Basis der Wissenschaft Chemie, dem Coulomb-Gesetz: Anziehende und abstoßende Kräfte sind abhängig von der Größe der Ladungen und vom Abstand der Ladungsschwerpunkte (Tab.1 ).
Kräfte und Energie in einem Atom
Verbinden sich ein Elektron und ein Proton zu einem Wasserstoff-Atom, so nimmt wegen des abnehmenden Abstands zwischen beiden Teilchen die potenzielle Energie ab (stärkere anziehende Kräfte), während die kinetische Energie des Elektrons zunimmt. Insgesamt ist die Abnahme der potenziellen Energie jedoch doppelt so groß wie die Zunahme der kinetischen Energie (Virial-Theorem). Anders ausgedrückt: Die Abnahme der Gesamtenergie ist zahlenmäßig gleich der Zunahme der kinetischen Energie. Dadurch wird insgesamt ein energieärmerer Zustand erreicht. Dieser Zusammenhang gilt auch für die Bildung einer Elektronenpaarbindung zwischen zwei Nichtmetallatomen. In Atomen mit mehr als einem Elektron herrscht ein Gleichgewicht zwischen den abstoßenden Kräften der Elektronen und den anziehenden Kräften zwischen Elektronen und Atomkern.
Besetzung der Elektronenwolken der Valenzschale
Elektronen zeigen je nach experimentellem Setting Wellen- oder Teilcheneigenschaften. Aufgrund dieses Welle-Teilchen-Dualismus haben Elektronen in einem Atom keine definierten Bahnen. Man spricht deshalb von Räumen, Elektronenwolken oder vereinfacht von Wolken, in denen sich Elektronen aufhalten können. So eine Wolke kann einfach oder maximal von zwei Elektronen besetzt sein. Die vier zur Verfügung stehenden Elektronenwolken einer Schale werden zuerst alle einfach und dann erst doppelt besetzt (Tab.2 ).
Modellhaft sind die einfach besetzten Wolken der Valenzelektronen als Punkte und die doppelt besetzten als Striche dargestellt, die man um die Elementsymbole anordnet (Lewis-Schreibweise).
Merksätzen zu chemischen Bindungen
1. Bei der Reaktion zwischen Nichtmetallatomen überlagern sich einfach besetzte Elektronenwolken zu gemeinsamen, bindenden Elektronenpaaren.
Da zwei, vier oder sechs Valenzelektronen von zwei positiv geladenen Atomrümpfen in einer Elektronenpaarbindung angezogen werden, bilden sich bei der Reaktion zwischen...
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 169 / 2019

Bindungen und Wechselwirkungen

Zeitschrift "Unterricht Chemie" Premium-Beitrag Hintergrund Schuljahr 10-12