Elektronenpaarbindung

Die Elektronenpaarbindung (Atombindung, kovalente Bindung) liegt zwischen Nichtmetallatomen vor. Dabei werden Elektronen der Außenschale geteilt, es bilden sich Elektronenpaare. Dadurch entstehen Moleküle.

Arbeitsmittel

Grundlagen

Bei der Elektronenpaarbindung nähern sich Nichtmetallatome so weit an, dass sie Elektronen gemeinsam nutzen können. Es entstehen Elektronenpaare, die Bindungen zwischen den Atomen bilden und die dadurch beiden Atomen zugeordnet werden. So wird die Edelgasregel erfüllt: in der Darstellung kannst du sehen, dass jedes Chloratom in der Außenschale 8 Außenelektronen hat.

Die durch Elektronenpaarbindung entstehenden Strukturen nennt man Moleküle.

Nichtmetallatome teilen sich Außenelektronen und erreichen damit eine volle Außenschale.

Molekulare Elemente

Nichtmetalle (außer Edelgase) kommen auf der Erde ausschließlich als molekulare Elemente (d.h. als Verbindungen der gleichen Atomsorte) vor. Spricht man beispielsweise von Chlor, so meint man eigentlich zwei verbundene Chloratome (Cl2, wie in der obigen Animation dargestellt).

wichtige molekulare Elemente

Eigenschaften

Aufgrund der vielen Kombinationsmöglichkeiten an Nichtmetallatomen gibt es eine Vielzahl an Molekülen. Im Vergleich zu Salzen und Metallen haben Moleküle meist niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen. Die meisten Moleküle sind elektrisch nicht leitend. Viele liegen bei Raumtemperatur als gasförmige oder flüssige Substanzen vor. Stoffe aus besonders großen Molekülen sind Feststoffe.

Bei Raumtemperatur ist Sauerstoff gasförmig…
Glas Wasser
…Wasser flüssig…
badeente aus Polyethylen, PE
…und Kunststoff (wie Polyethylen, PE) fest.

Die physikalischen Eigenschaften von Molekülen hängen auch von der Elektronenverteilung innerhalb des Moleküls und den daraus resultierenden Wechselwirkungen zwischen den Molekülen ab.

Unpolar und polar

Bei der Elektronenpaarbindung unterscheidet man, abhängig von den Bindungspartnern, zwei Formen: die unpolare und die polare Elektronenpaarbindung.

Unpolare Elektronenpaarbindung

Besteht ein Molekül aus Atomen des gleichen Elements (z. B. H2), so werden die geteilten Elektronen (negativ geladen) von den Kernen der beiden Atome (positiv geladen) gleich stark angezogen. Dadurch liegt eine symmetrische Ladungsverteilung vor.

Unpolare Elektronenpaarbindung am Beispiel Wasserstoff (H2)

Polare Elektronenpaarbindung

Besteht ein Molekül aus Atomen unterschiedlicher Elemente wie z. B. bei Fluorwasserstoff (HF), so wird das geteilte Elektronenpaar von den 9 Protonen des Fluoratoms stärker angezogen als von dem einen Proton des Wasserstoffatoms.

Polare Elektronenpaarbindung am Beispiel Fluorwasserstoff (HF)

Dadurch kommt es zu einer Ladungsverschiebung, bei der sich die geteilten Elektronen zum Fluoratom hin ausrichten. Da Elektronen negativ geladen sind, bildet sich am F-Atom eine negative Teilladung (delta minus, δ-) und am H-Atom eine positive Teilladung (delta plus, δ+).

Zeigt die negativen und positiven Tailladungen von Wasserstoff und Flour delta negativ beim Flouratom und delta positiv beim Wasserstoffatom
Teilladungen am Beispiel Fluorwasserstoff (HF)

Im Molekül enstehen ein negativ geladener und ein positiv geladener Pol (Dipol), vergleichbar mit einem Magneten. Die positiven und die negativen Teilladungen der Moleküle ziehen einander an, man spricht von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.

Dipol-Dipol-Wechselwirkung
Dipole wechselwirken miteinander, vergleichbar mit Magneten.

Wasser – ein besonderer Dipol

Wasser ist ein Beispiel für einen Dipol, der in unserem Alltag eine wichtige Rolle spielt. Im Wassermolekül liegt ein negativer Ladungsüberschuss (δ-) auf der Seite des Sauerstoffatoms vor. An der Seite der Wasserstoffatome bilden sich dadurch positive Teilladungen (δ+). Auch die gewinkelte Struktur des Wassermoleküls führt zu seinen besonderen Eigenschaften.

Wasserstoffmolekül
Wasser ist ein Dipol.
Die gewinkelte Struktur ist am Kugel-Stab-Modell gut zu sehen.

Bei Wasser liegen besonders starke Dipol-Dipol-Wechselwirkungen vor. Die starke Anziehung der unterschiedlichen Teilladungen der Wassermoleküle führt zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken.

Wasserstoffbrücken aufgrund der starken Wechselwirkungen zwischen Wassermolekülen
Wasserstoffbrücken aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Wassermolekülen

Wassermoleküle wechselwirken auch mit anderen Dipolen, geladenen Teilchen (Ionen) oder elektrisch geladenen Strukturen.

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Was passiert, wenn ein elektrostatisch aufgeladener Kunststoffstab (durch Reiben an einem Wolltuch) an einen feinen Wasserstrahl gehalten wird?
Wasser wird vom Kunststoffstab nicht angezogen. Der Wasserstrahl bleibt unverändert.
Wasser wird vom Kunststoffstab abgestoßen.
Wasser wird vom Kunststoffstab angezogen.
Wähle die richtige Abbildung aus! Leider falsch! Beim Reiben des Stabs werden Elektronen vom Wolltuch auf den Stab übertragen, wodurch dieser negativ geladen wird. Die positiven Teilladungen (an den H-Atomen) der Wassermoleküle werden vom negativ geladenen Stab angezogen: die Wassermoleküle richten sich mit der positiven Teilladung zum Stab hin aus. Dadurch wird der Wasserstrahl vom elektrostatisch geladenen Stab angezogen. Leider falsch! Beim Reiben des Stabs werden Elektronen vom Wolltuch auf den Stab übertragen, wodurch dieser negativ geladen wird. Die positiven Teilladungen (an den H-Atomen) der Wassermoleküle werden vom negativ geladenen Stab angezogen: die Wassermoleküle richten sich mit der positiven Teilladung zum Stab hin aus. Dadurch wird der Wasserstrahl vom elektrostatisch geladenen Stab angezogen. Richtig! Beim Reiben des Stabs werden Elektronen vom Wolltuch auf den Stab übertragen, wodurch dieser negativ geladen wird. Die positiven Teilladungen (an den H-Atomen) der Wassermoleküle werden vom negativ geladenen Stab angezogen: die Wassermoleküle richten sich mit der positiven Teilladung zum Stab hin aus. Dadurch wird der Wasserstrahl vom elektrostatisch geladenen Stab angezogen.

Wasser als Lösungsmittel

Wasser ist ein sehr gutes Lösungsmittel für viele feste, flüssige und gasförmige Stoffe. Dies spielt in vielen Bereichen eine wichtige Rolle: Nährstoffe lösen sich in unserem Blut, verschmutzte Kleidung wird wieder sauber, Speisen können zubereitet werden, Fische atmen den im Wasser gelösten Sauerstoff. Viele Salze lösen sich gut in Wasser, da ihre Bausteine, die Ionen, geladene Teilchen sind.

Pekingsuppe
Beim Zubereiten von Speisen ist Wasser ist eine wichtige Zutat und ein wichtiges Hilfsmittel.
Hände waschen lilafarbene Wäsche in einem Zuber
Mit Hilfe von Wasser (und Waschmittel) wird verschmutzte Wäsche wieder sauber!

Zur Löslichkeit kann man sich folgenden Grundsatz merken:

Gleiches löst sich in Gleichem!

Dabei werden Stoffe, die sich gut in Wasser lösen (d. h. die gut mit Wasser mischbar sind), als hydrophil bezeichnet. Stoffe, die sich nicht in Wasser lösen, nennt man hydrophob. Die Löslichkeit von Substanzen kann durch rühren, oder schütteln beschleunigt und durch erhitzen erhöht werden.

Lerne die Löslichkeit von Wasser mit folgenden Experimenten noch genauer kennen!

Physikalische Eigenschaften

Aufgrund der Wasserstoffbrücken hat Wasser viel höhere Schmelz- und Siedepunkte als Substanzen aus vergleichbaren Molekülen. Methan (CH4) hat eine ähnliche Molekülmasse wie Wasser, Schwefelwasserstoff (H2S) ist sehr ähnlich gebaut wie Wasser (siehe Abb.) – dennoch sind CH4 und H2S bei Raumtemperatur gasförmig. Der Grund dafür, dass Wasser bei Raumtemperatur flüssig ist, liegt darin, dass für das Lösen der Wasserstoffbrücken zusätzlich Energie notwendig ist – daher hat Wasser höhere Schmelz- und Siedetemperaturen.

Kugel-Stab-Modell von Schwefelwasserstoff
Schmelzpunkt Siedepunkt
Wasser (H2O) 0 °C 100 °C
Methan (CH4) -182 °C -162 °C
Schwefelwasserstoff (H2S) -85,7 °C -60,2 °C
Eiswürfel von Nahem
Wasser gefriert bei 0 °C…
Siedendes Wasser beim Kochen
…und siedet bei 100 °C.
12. Elektronenpaarbindung
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