Warum Atome Bindungen eingehen

Um ein Mol H-H-Bindungen zu spalten, braucht man 436 kJ. Zwei Wasserstoffatome sind also zusammen viel stabiler als getrennt.

Fast nichts um dich herum besteht aus einzelnen, getrennten Atomen. Die Luft besteht vor allem aus N₂- und O₂-Molekülen, Wasser ist H₂O, und ein Salzkorn ist ein Block aus Milliarden von Natrium- und Chlorteilchen, dicht gepackt. Nur die Edelgase schweben als einzelne Atome umher. Die eigentliche Frage ist also nicht, ob sich Atome verbinden, sondern warum, und warum manche Kombinationen vorkommen und andere nie.

Weniger Energie bedeutet mehr Stabilität

Eine Kugel an einem Hang rollt hinunter und bleibt im Tal liegen. Atome folgen bei der Energie derselben Regel. Nähern sich zwei Wasserstoffatome, wird das Elektron jedes Atoms von beiden Kernen gleichzeitig angezogen. Bis zu einem gewissen Punkt überwiegt diese Anziehung die Abstoßung zwischen den beiden Kernen und zwischen den beiden Elektronen, und die Gesamtenergie sinkt. Bei einem Abstand von 74 pm erreicht die Energie ihren tiefsten Punkt. Schiebst du die Kerne näher zusammen, gewinnt die Abstoßung; ziehst du sie auseinander, musst du wieder Energie hineinstecken. Dieses Tal ist die Bindung.

Die Tiefe des Tals ist die Bindungsenergie. Bei Wasserstoff beträgt sie 436 kJ pro Mol Moleküle, also für etwa 6 × 10²³ Bindungen. Diese Energie muss man zuführen, um die Moleküle zu spalten, und sie wird frei, wenn sich die Atome verbinden. Brennstoffe nutzen das umgekehrt: Wenn Wasserstoff verbrennt, werden schwächere Bindungen gespalten und stärkere im Wasser gebildet, und der Unterschied wird als Wärme frei.

Wie kann man überhaupt einen Abstand von 74 pm messen? Mit einem Lineal jedenfalls nicht. Moleküle rotieren und schwingen, und sie nehmen Licht nur bei bestimmten Frequenzen auf. Diese hängen davon ab, wie weit ihre Atome voneinander entfernt sind und wie steif die Bindung ist. Misst man diese Frequenzen mit einem Spektrometer, ergeben sich Bindungslänge und Bindungswinkel aus der Rechnung. Die NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database sammelt diese gemessenen Geometrien, und jede Bindungslänge und jeder Winkel in den 3D-Modellen dieses Kurses stammt von dort.

Das Muster der vollen Schale

Chemiker haben eine schnelle Methode, um vorherzusagen, welche Bindungen entstehen. Edelgase mit vollen Außenschalen reagieren kaum, eine volle Schale scheint also ein bequemer Zustand zu sein. Viele Atome verbinden sich so, dass jedes von ihnen eine volle Außenschale bekommt, meist mit 8 Elektronen, bei Wasserstoff mit 2. Das nennt man Oktettregel. Der amerikanische Chemiker G. N. Lewis beschrieb 1916 das gemeinsame Elektronenpaar, und seine Punktschreibweise wird bis heute benutzt, um Elektronen in Bindungen zu zählen.

Es gibt drei Wege zu einer vollen Schale, und sie ergeben die drei Hauptarten der Bindung. Ein Atom kann Elektronen an ein anderes abgeben. Dabei entstehen Ionen, die durch elektrische Anziehung zusammengehalten werden: eine Ionenbindung. Zwei Atome können Elektronenpaare teilen, sodass jedes die gemeinsamen Elektronen als eigene zählt: eine Atombindung (kovalente Bindung). Oder eine ganze Menge Metallatome legt ihre Außenelektronen zusammen: eine Metallbindung. Welche davon entsteht, hängt vor allem von der Elektronegativität ab, also davon, wie stark jedes Atom Elektronen anzieht.

Die Oktettregel ist eine Faustregel, kein Gesetz. Bor hat in BF₃ am Ende nur 6 Außenelektronen, Schwefel in SF₆ dagegen 12. Übergangsmetalle zählen nach eigenen Regeln. Für die ersten zwanzig Elemente und die Verbindungen von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff passt sie aber erstaunlich oft, und sie ist der richtige Ausgangspunkt.