Atombindungen

Die Dreifachbindung in N₂ ist 110 pm lang, die Einfachbindung in Ethan 154 pm. Mehr gemeinsame Elektronenpaare ziehen die Atome näher zusammen.

Wenn sich zwei Nichtmetallatome begegnen, will keines seine Elektronen ganz hergeben. Beide ziehen stark, also teilen sie, statt zu übertragen. Jedes Atom gibt ein Elektron in ein Paar, das zwischen den beiden Kernen liegt, und beide Kerne werden von diesem Paar angezogen. Das gemeinsame Elektronenpaar ist die Atombindung. So wird fast jeder Stoff in einem Lebewesen zusammengehalten, von Wasser bis zur DNA.

Gemeinsame Elektronenpaare zählen

Nimm Methan, CH₄. Kohlenstoff hat 4 Außenelektronen und braucht 4 weitere. Jedes Wasserstoffatom hat 1 und braucht noch 1. Kohlenstoff teilt mit jedem der vier Wasserstoffatome ein Paar. Jetzt zählt Kohlenstoff 8 Elektronen um sich und jedes Wasserstoffatom 2. Alle haben eine volle Schale, und das Molekül hat vier Einfachbindungen. Die Zahl der Bindungen, die ein Atom meist eingeht, heißt seine Wertigkeit: Wasserstoff 1, Sauerstoff 2, Stickstoff 3, Kohlenstoff 4. Mit diesen vier Zahlen kannst du die meisten kleinen Moleküle von Hand aufbauen.

Bei jedem kleinen Molekül kannst du eine Struktur prüfen, indem du Elektronen zählst. Addiere die Außenelektronen aller Atome: Wasser hat 1 + 1 + 6 = 8. Jede Bindung braucht 2 davon, und was übrig bleibt, sitzt in freien Elektronenpaaren. Wasser hat zwei O-H-Bindungen, die 4 Elektronen verbrauchen, also bleiben 4 Elektronen als zwei freie Elektronenpaare am Sauerstoff. Sauerstoff zählt dann 8 um sich und jedes Wasserstoffatom 2. Bei Ammoniak geht es genauso: 5 + 3 = 8 Elektronen, drei N-H-Bindungen und ein freies Elektronenpaar. Diese freien Elektronenpaare bestimmen, wie sich in der nächsten Einheit zeigt, die Form der Moleküle.

Doppel- und Dreifachbindungen

Manchmal reicht ein gemeinsames Paar nicht aus. Im Sauerstoffmolekül O₂ hat jedes Atom 6 Außenelektronen und braucht 2 weitere, also teilen die beiden Atome zwei Paare: eine Doppelbindung, O=O. Im Stickstoff N₂ braucht jedes Atom 3, und sie teilen drei Paare: eine Dreifachbindung, N≡N. Das Modell zeichnet jedes gemeinsame Paar als eigenes Stäbchen, du kannst sie also zählen. Kohlenstoff kann alle drei. Ethan, C₂H₆, hat eine C-C-Einfachbindung, Ethen, C₂H₄, eine C=C-Doppelbindung und Ethin (Acetylen), C₂H₂, eine C≡C-Dreifachbindung.

Mehr gemeinsame Paare halten die Atome enger und fester zusammen. Die gemessenen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Abstände aus der NIST-Datenbank zeigen das deutlich: 153.6 pm im Ethan, 133.9 pm im Ethen und 120.3 pm im Ethin. Die Dreifachbindung im Stickstoff, 109.8 pm, ist so stark, dass Stickstoffgas kaum reagiert, obwohl es den größten Teil der Luft ausmacht, die wir atmen. Pflanzen können ihn nicht direkt nutzen; sie sind auf Bakterien und Blitze angewiesen, die ihn aufspalten.

Moleküle statt Gitter

Atombindungen verbinden eine feste Anzahl von Atomen zu einem Molekül mit einer bestimmten Form. Die Bindungen in einem Wassermolekül sind stark, aber die Kräfte zwischen einem Wassermolekül und dem nächsten sind viel schwächer. Deshalb sind viele Molekülstoffe bei Raumtemperatur Gase oder Flüssigkeiten und schmelzen oder sieden bei niedrigen Temperaturen: Man muss nur die Moleküle voneinander trennen, nicht die Moleküle selbst zerbrechen. Methan siedet bei etwa −161.5 °C. Einige Stoffe mit Atombindungen, etwa Diamant und Quarz, sind riesige Netzwerke aus Bindungen ohne einzelne Moleküle, und sie gehören zu den härtesten bekannten Stoffen.