Chemische Bindungen treten auf, wenn sich zwei oder mehr Atome zu einem Molekül verbinden. Es ist ein allgemeines Prinzip in der Wissenschaft, dass alle Systeme versuchen, ihr niedrigstes Energieniveau zu erreichen, und chemische Bindungen werden nur dann stattfinden, wenn sich ein Molekül bilden kann, das weniger Energie hat als seine unverbundenen Atome. Die drei wichtigsten Bindungsarten sind ionisch, kovalent und metallisch. All dies beinhaltet, dass sich Elektronen auf verschiedene Weise zwischen Atomen bewegen. Ein anderer, viel schwächerer Typ ist die Wasserstoffbrücke.
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. Wenn man eine elektrische Ladung hat, wird sie als Ion bezeichnet.
Es sind die Elektronen, die an der chemischen Bindung beteiligt sind. Diese Teilchen sind in Schalen angeordnet, die man sich in zunehmendem Abstand vom Kern vorstellen kann. Generell gilt: Je weiter die Schalen vom Kern entfernt sind, desto mehr Energie haben sie. Die Anzahl der Elektronen, die eine Schale besetzen können, ist begrenzt. Zum Beispiel hat die erste, innerste Schale eine Grenze von zwei und die nächste Schale eine Grenze von acht.
In den meisten Fällen sind es nur die Elektronen in der äußersten Schale, die an der Bindung teilnehmen. Diese werden oft als Valenzelektronen bezeichnet. Als allgemeine Regel gilt, dass Atome dazu neigen, sich so miteinander zu verbinden, dass sie alle volle äußere Schalen erreichen, da diese Konfigurationen normalerweise weniger Energie haben. Eine Gruppe von Elementen, die als Edelgase bekannt sind – Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon – haben bereits eine vollständige äußere Hülle und gehen daher normalerweise keine chemischen Bindungen ein. Andere Elemente werden im Allgemeinen versuchen, eine Edelgasstruktur zu erreichen, indem sie Elektronen mit anderen Atomen abgeben, aufnehmen oder teilen.
Chemische Bindungen werden manchmal durch eine sogenannte Lewis-Struktur dargestellt, die nach dem amerikanischen Chemiker Gilbert N. Lewis benannt ist. 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 Elektronen von einem Atom zum anderen gewandert sind und wo sie zwischen den Atomen geteilt werden.
Ionische Bindung
Diese Art der chemischen Bindung findet statt zwischen Metallen, die leicht Elektronen abgeben, und Nichtmetallen, die sie gerne aufnehmen. Das Metall gibt die Elektronen in seiner unvollständigen äußersten Schale an das Nichtmetall ab und lässt diese Schale leer, sodass die darunter liegende volle Schale zu ihrer neuen äußersten Schale wird. Das Nichtmetall nimmt Elektronen auf, um seine unvollständige äußerste Schale aufzufüllen. Auf diese Weise haben beide Atome volle äußere Hüllen erreicht. Dadurch bleibt das Metall positiv geladen und das Nichtmetall negativ geladen, es sind also positive und negative Ionen, die sich gegenseitig anziehen.
Ein einfaches Beispiel ist Natriumfluorid. Natrium hat drei Schalen, mit einem Valenzelektron in der äußersten. Fluor hat zwei Schalen mit sieben Elektronen in der äußersten. Das Natrium gibt sein ein Valenzelektron an das Fluoratom ab, sodass 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 mit vollständigen äußeren Schalen, die durch elektrische Anziehung miteinander verbunden sind.
Kovalente Bindung
Atome von Nichtmetallen verbinden sich miteinander, indem sie Elektronen so teilen, dass sie ihr Gesamtenergieniveau senken. Dies bedeutet in der Regel, dass sie in Kombination alle volle Außenschalen haben. Um ein einfaches Beispiel zu nehmen: Wasserstoff hat nur ein Elektron in seiner ersten – und einzigen – Schale, was ihm eine volle Schale fehlt. Zwei Wasserstoffatome können ihre Elektronen teilen, um ein Molekül zu bilden, in dem beide eine vollständige äußere Hülle haben.
Wie sich Atome miteinander verbinden, lässt sich oft aus der Anzahl ihrer Elektronen vorhersagen. Carbon hat zum Beispiel sechs, was bedeutet, dass es eine volle erste Schale von zwei und eine äußerste von vier hat, sodass vier weniger als eine vollständige äußere Schale übrig sind. Sauerstoff hat acht und hat sechs in seiner äußeren Hülle – zwei kurz vor einer vollen Hülle. Ein Kohlenstoffatom kann sich mit zwei Sauerstoffatomen zu Kohlendioxid verbinden, in dem der Kohlenstoff seine vier Elektronen teilt, zwei mit jedem Sauerstoffatom, und die Sauerstoffatome wiederum teilen sich jeweils zwei ihrer Elektronen mit dem Kohlenstoffatom. Auf diese Weise haben alle drei Atome volle äußere Schalen mit acht Elektronen.
Metallische Bindung
In einem Metallstück können sich die Valenzelektronen mehr oder weniger frei bewegen und gehören nicht zu einzelnen Atomen. Das Metall besteht also aus positiv geladenen Ionen, die von beweglichen, negativ geladenen Elektronen umgeben sind. Die Ionen lassen sich relativ leicht bewegen, sind aber 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 Stromleiter sind.
Wasserstoffbrückenbindung
Im Gegensatz zu den obigen Beispielen beinhaltet die Wasserstoffbrückenbindung eine Bindung zwischen Molekülen 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 insgesamt positiven Ladung auf der einen Seite und einer negativen Ladung auf der anderen. In einer Flüssigkeit ziehen sich die positive und die negative Seite an und bilden Bindungen zwischen den Molekülen.
Obwohl diese Bindungen viel schwächer sind als ionische, kovalente oder metallische Bindungen, sind sie sehr wichtig. Wasserstoffbrückenbindungen finden in Wasser statt, einer Verbindung, die zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom enthält. Das 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.