Warum kommt es bei der Elektronenpaarbindung zu einer Absenkung der Gesamtenergie?

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3 Antworten

Moin,

natürlich hat ThomasJNewton eigentlich recht, aber ich antizipiere einmal, dass dir diese Antwort nicht wirklich weiterhilft. Darum versuche ich jetzt, das Ganze vielleicht wissenschaftlich nicht ganz so korrekt, aber dafür anschaulicher oder zumindest verständlicher zu erklären.

Wenn du dir ein Periodensystem der Elemente (PSE) anschaust, dann findest du immer ganz rechts eine Spalte, in der die Edelgase (Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und das radioaktive Radon) zu finden sind. Diese einatomigen Gase haben ihre Gruppenbezeichnung aus dem Umstand erhalten, dass sie (praktisch) keine stabilen Verbindungen mit den Atomen anderer Elemente eingehen (sie sind zu "edel" dafür!). Es gibt zwar eine Handvoll Verbindungen wie beispielsweise von Krypton oder Xenon mit besonders reaktiven Elementen wie Fluor oder Sauerstoff, aber das können wir an dieser Stelle einmal vernachlässigen. Für deine Zwecke reicht es, wenn wir davon ausgehen, dass Edelgase keine Verbindungen mit anderen Elementen eingehen. Wenn man sich nun fragt, warum das so ist, so wird man feststellen, dass die Atome dieser Edelgase so aufgebaut sind, dass ihr äußeres Hauptenergieniveau (HEN) mit Elektronen voll besetzt ist. Im Falle des Heliums heißt das, dass sich in dessen äußeren HEN zwei Elektronen befinden, im Falle der anderen Edelgase sind das immer acht Elektronen im jeweils äußeren HEN. Offenbar ist es für Atome energetisch unglaublich günstig (niedriger Energiewert des Zustands), wenn das äußere HEN mit Elektronen voll ist. Jede Veränderung dieser so günstigen Edelgaskonfiguration der Elektronen würde für das Atom eine Verschlechterung des Energiezustands (Erhöhung des Energiewertes) mit sich bringen. Das ist der Grund, warum Edelgasatome keine Verbindungen mit Atomen anderer Elemente eingehen wollen, denn gerade das würde ihre "perfekte" Edelgaskonfiguration stören.

Mit dieser Überlegung hast du aber andersherum auch eine Begründung dafür, warum die Atome der anderen Elemente (meist) gerne Verbindungen mit anderen Atomen eingehen, denn sie streben dabei für ihre Außenelektronen genau die gleiche energetisch so günstige Konfiguration an, wie sie Edelgase von Natur aus haben.
Die Verbindung kann dabei über Ionen (= geladene Teilchen) zustande kommen (was zum Beispiel dadurch passiert , dass die eine Atomsorte Elektronen an eine andere Atomsorte abgibt).
Aber du wolltest ja wissen, warum es zu einer Absenkung der Energie kommt, wenn sich zwei Wasserstoffatome einander soweit annähern, dass sie sich miteinander verbinden. Bei diesem Bindungstyp handelt es sich um eine sogenannte Atombindung (= Elektronenpaarbindung = kovalente Bindung). Das musst du dir so vorstellen: Nähern sich die Wasserstoffatome einander an, dann entstehen Wechselwirkungen (wie du ja selbst bereits richtig erkannt hast). Die Kerne ziehen die Elektronen an, die Elektronen stoßen einander ab (und wenn du die Atome richtig nahe aneinander drängst, stoßen sich auch die Kerne gegenseitig ab - was aber nur für Kernfusionen interessant ist).
Wenn du aber die Atome einander annäherst, behalten sie nicht die räumliche Struktur ihrer Elektronenhülle bei, sondern es bildet sich eine neue Hülle aus (man sagt: aus den Atomorbitalen wird ein Molekülorbital). Manche dieser neuen Molekülorbitalräume sind energetisch gesehen günstiger als die Energiewerte der einzelnen Atomorbitale, andere sind ungünstiger. Da aber - wie bei jedem System - stets der energieärmste Zustand bevorzugt wird, verteilen sich die beiden Elektronen der ehemals einzelnen Wasserstoffatome in die günstiger liegenden Molekülorbitale. Das geht de facto mit der Herabsetzung der Gesamtenergie einher, verstehst du? Anschaulich könntest du sagen: Indem die beiden Wasserstoffatome ihre beiden Elektronen zusammenschmeißen und gemeinsam nutzen, kann jeder Atomrumpf für sich reklamieren, nun über zwei Elektronen zu verfügen. Das aber entspricht der energetisch sehr günstigen Elektronenkonstellation, die auch das Heliumatom aufweist (zwei Elektronen im äußeren HEN). Und aus dieser Vorstellung resultieren auch die drei Bezeichnungen für diesen Bindungstyp: Atombindung, weil hier (im Gegensatz zur Ionenbindung) zwei Atome eine Bindung ausbilden. Elektronenpaarbindung, weil von beiden Atomen Außenelektronen zur Verfügung gestellt werden, die dann (mindestens) ein Elektronenpaar bilden, das von beiden Atomen gemeinsam genutzt wird, und schließlich kovalente Bindung, weil hier Außenelektronen (= Valenzelektronen) miteinander kooperieren (Kooperation von Valenzelektronen = kovalent). Mit anderen Worten, das (neue) Gesamtsystem ist energetisch günstiger, weil im Vergleich mit den Einzelatomen die Atome im Molekül den günstigeren Edelgaszustand annehmen...

Ich hoffe, das hilft dir beim Verstehen weiter.

Lieber Gruß von der Waterkant.

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Das kannst du nicht verstehen.

Oder zumindest kann ich das nicht verstehen, und ich habe immerhin Chemie studiert, wenn auch als Nebenfach.

Wenn sich zwei Atome (oder allgemein Zentren/Kerne ...) nahekommen, überlagern sich die Räume der Elektronen, als Fachbegriff also die Orbitale.
Orbitale sind nicht Umlaufbaufbahmen wie bei Apollo 13, sondern schon was eigenes.

Die Orbitale der zwei Wasserstoffatome überlagern sich, zur Summe und zur Differenz. Warum das so ist, verstehe ich nicht mal, du erst recht nicht.

Es gibt dann aber nicht mehr die Orbitale um H-Atom-1 und um H-Atom-2, sondern andere Orbitale, Ortital-1PLUSOrbital-2 und
Ortital-1MINUSOrbital-2.

Das Plus-Orbital füllt sich mit Elektronen, das Minus-Orbital bleibt leer.
Die Anziehung bewirken letzlich die Elektronen, nicht deren mögliche Räume.

Wenn du 2 Heliumatome zusammendrängst, ergeben sich genau die selben Kombinationen, nur sind da PLUS und MINUS gleich besetzt, was auf NULL hinausläuft.

Im Wasserstoffmolekül sind die Elektronen zwischen den Kernen, was nach Adam Riese oder der Elektrostatik eine Anziehung bewirkt.

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Wie ThomasJNewton schon sagt ist die Wirklichkeit ziemlich komliziert, aber laß mich mal ein vereinfachtes Erklärungsmodell versuchen.

Du hast schon richtig erkannt, daß sich die Atome abstoßen, aber auch anziehen. Genauer gesagt sind es die Ladungen in den Atomen, die sich abstoßen und anziehen. Bei zwei Wasserstofatomen stoßen sich die positiv geladenen Protonen ab. Auch die Elektronen stoßen sich ab. 

Gleichzeitig wird aber jedes der beiden Elktronen von jedem der beiden Protonen angezogen. Du kannst bestimmt ausrechnen, daß die Energie für eine negative Ladung zwischen zwei positiven Ladungen besonders niedrig wird wenn die positiven Ladungen beide nahe bei der negativen Ladung sind.

Wenn Du zwei negative Ladungen zwischen zwei positive Ladungen setzt, kannst Du sicherlich eine Anordnung finden, in der die Energie insgesamt abgesenkt ist. Diese Anordnung sollte z.B. eine abgesenkte Energie besitzen


          -

+                +

          -


Du siehst also, daß es auf die Anordnung der Ladungen ankommt, um stärker anziehende als abstoßende Kräfte zu haben und die Gesamtenergie abzusenken.


Natürlich sind die Ladungen in einem Atom nicht fest an einer Stelle, sondern bewegen sich, aber Du kannst Dir die Landungsanordnung als Durchschnittsposition der Ladungen vorstellen.



Hier noch etwas Bonuswissen: Die Elektronen besitzen nicht nur eine negative Ladung, sondern sind auch kleine Magnete. In der Elektronenpaarbindung lagern sie sich wie zwei Stabmagnete zusammen. Die negativen Ladungen stoßen sich also zwar ab, aber gleichzeitig ziehen sich die Elektronen durch ihre Magnetfelder auch ein wenig an. Das führt zusätzlich zu einer Energieabsenkung und dazu, daß die Elektronen sich in der Bindung näherkommen können.

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