Wie funktioniert elektronenpaarbindungen?

Moin,

Es gibt Atome, die eine Elektronenverteilung in ihrer Hülle haben, die so perfekt ist, dass jede Veränderung daran nachteilig wäre. Darum "wollen" solche Atome keine Veränderungen und darum reagieren sie chemisch nicht mit anderen Atomen. Solche Atome gehören zu Edelgasen. Die Edelgase heißen so, weil sie zu "edel" sind, um mit anderen zu reagieren. Die Verteilung der Elektronen in der Hülle von Edelgasatomen bezeichnet man als Edelgaskonfiguration. Sie ist energetisch besonders stabil.

Die allermeisten Atome der anderen Elemente haben keine so tolle Elektronenverteilung in ihren Hüllen wie die Edelgase es von Natur aus haben. Aber sie streben nach dieser Edelgaskonfiguration, gerade weil diese so stabil und energetisch günstig ist. Das ist dann auch der Grund, warum diese Atome munter miteinander reagieren.

Nun gibt es prinzipiell zwei verschiedene Wege, eine Edelgaskonfiguration hinzubekommen. Ein Weg ist, dass ein Bindungspartner Elektronen an einen anderen Bindungspartner übergibt, bis beide eine Edelgaskonfiguration erreicht haben.
So hat zum Beispiel das Atom vom Edelgas Neon 10 Elektronen in seiner Hülle. Das Edelgasatom von Argon hat 18 Elektronen in seiner Hülle. Natriumatome haben 11 Elektronen (also eins mehr als das Edelgas Neon), während Chlor 17 Elektronen besitzt (und damit eins weniger als Argonatome). Wenn also Natrium- und Chloratome aufeinandertreffen, liegt es nahe, dass das Natriumatom sein überzähliges Elektron weggibt, um die zurückbleibenden 10 Elektronen so zu verteilen, wie es beim Neonatom ist. Das heißt, Natrium kann die Edelgaskonfiguration von Neon erreichen, wenn es sein überzähliges Elektron einem anderen Atom geben kann.
Umgekehrt braucht ein Chloratom gerade ein Elektron, um auf 18 Elektronen zu kommen, die dann in der Hülle so verteilt werden können, wie es beim Argonatom der Fall ist. Das heißt, Chloratome erreichen eine Edelgaskonfiguration, wenn sie von einem anderen Atom ein Elektron bekommen können. Solche Übergaben von Elektronen führen zu geladenen Teilchen (Ionen), weil die Elektronen immerhin negativ geladen sind. Wenn man also als ungeladenes Atom ein Elektron zusätzlich aufnimmt wird man zu einem negativ geladenen Anion, während man umgekehrt zum positiv geladenen Kation wird, wenn man ein Elektron abgibt (denn die Anzahl der positiven Protonen in den jeweiligen Kernen bleibt von der Elektronenübergabe ja unangetastet). Das führt im Endeffekt zu einer Ionenbindung, weil sich die entstehenden Ionen gegenseitig anziehen, da sie entgegengesetzte Ladungen haben.

Doch nun zur Elektronenpaarbindung (und deiner eigentlichen Frage).
Die Möglichkeit der Übergabe von Elektronen ist im Grunde nur möglich, wenn einer der beiden Reaktionspartner etwas zu viele Elektronen besitzt, während der andere ein paar Elektronen zu wenig hat. Wenn du dir nun vorstellst, dass sich zum Beispiel zwei Chloratome treffen, dann haben beide jeweils 17 Elektronen. Beide bräuchten ein weiteres Elektron, um die so erwünschte Edelgaskonfiguration zu erreichen. Nun könnte man sich überlegen, dass in so einem Reaktionsgefäß nicht nur zwei Atome sind, sondern zig-Milliarden. Und dann könnte man auf die Idee kommen, dass ein Chloratom sieben seiner Elektronen an sieben andere Chloratome abgeben könnte. Dann hättest du sieben Chlorteilchen, die alle 18 Elektronen hätten (und damit die Edelgaskonfiguration von Argon), und du hättest ein Chlorteilchen, das nur noch 10 Elektronen hätte (und somit die Konfiguration von Neon). Aber das scheitert an zwei Dingen. Erstens: Wer sollte entscheiden, welche Chloratome Elektronen abgeben müssen und welche eines aufnehmen dürfen? Schließlich wollen alle ein Elektron aufnehmen! Aber vor allem zweitens: Wenn du Elektronen aus einem Atom entfernst, wird dieses Teilchen positiv geladen. Das kommt daher, dass Elektronen negative Ladungsträger sind. Als Atome haben die Chlorteilchen gleich viele negativ geladene Elektronen in der Hülle wie positiv geladene Protonen im Kern, nämlich jeweils 17. Wenn nun tatsächlich ein Chloratom ein Elektron weggeben würde, hätte es nur noch 16 Elektronen in der Hülle, aber nach wie vor 17 Protonen im Kern. Das heißt, dieses Teilchen hätte eine positive Ladung mehr, es wäre ein einfach positiv geladenes Chlor-Kation. Das einfach positiv geladene Chlor-Kation hätte aber nichts davon, nur ein Elektron abzugeben, denn es wäre damit einer Edelgaskonfiguration kein Stück näher gekommen (im Gegenteil). Wenn es deshalb ein weiteres Elektron an ein anderes Chloratom abgeben würde, hätte es nur noch 15 Elektronen in der Hülle, aber immer noch 17 Protonen im Kern. Dieses Teilchen wäre dann also zweifach positiv geladen. Aber eine Edelgaskonfiguration hätte es immer noch nicht erreicht. Nun gibt es also noch ein Elektron weg. Aber hier musst du bedenken, dass es damit einen weiteren negativen Ladungsträger (das Elektron nämlich) aus einem zweifach positiv geladenen Kation entfernen muss. Aber unterschiedlich geladene Teilchen ziehen sich an! Das heißt, du brauchst schon eine ganze Menge Energie, um drei Elektronen aus einem Atom zu entfernen. Das mag noch gelingen, aber stell es dir weiter vor. Du brauchst noch mehr Energie, um ein viertes Elektron aus einem dreifach positiv geladenen Teilchen zu entfernen, noch viel mehr Energie, um ein fünftes Elektron aus dem nunmehr vierfach positiv geladenen Chlor-Ion zu erhalten, und wahnsinnig viel mehr Energie, um ein sechstes Elektron aus dem fünffach positiv geladenen Chlor-Kation heraus zu bekommen... Das liegt daran, dass die zunehmend positiver werdenden Ionen die negativen Elektronen immer stärker anziehen und an sich binden würden. Du siehst sicherlich ein, dass beide Gründe deutlich dagegen sprechen, dass eine Übergabe von Elektronen erfolgt, wenn beide Bindungspartner eigentlich Elektronen aufnehmen möchten. Aber ist damit alles aus? - Nein, ich erwähnte schon, dass es noch eine andere Möglichkeit gibt, wie eine Bindung zustandekommen kann. Und diese zweite Möglichkeit ist die Atombindung (= Elektronenpaarbindung = kovalente Bindung).

Bleiben wir beim Chlor. Ein Chloratom hat insgesamt 17 Elektronen. Diese Elektronen verteilen sich auf drei Energiebereiche in der Hülle (Hauptenergieniveaus; auch "Schalen" genannt). In das erste Hauptenergieniveau (HEN) passen zwei Elektronen. Ins zweite HEN 8. Das macht zusammen 10 Elektronen (das heißt, dass das Edelgas Neon zwei voll besetzte Schalen hat; weil diese voll besetzt sind, ist das so stabil!). Die restlichen sieben Elektronen verteilen sich im 3. HEN noch einmal auf vier Räume (Orbitale) und zwar so, dass in drei der vier Orbitale jeweils zwei Elektronen zu finden sind, während sich im vierten Orbital nur ein einzelnes, also ungepaartes Elektron aufhält. Der genaue Zusammenhang hat mit dem Atombau zu tun und ist ein anderes Thema (such mal nach dem Begriff "Schalenmodell" oder noch besser "Kugelwolkenmodell" im Internet...). Wichtig zum Verständnis einer Atombindung ist nun, dass die ungepaarten Elektronen in solchen Orbitalen noch Platz für ein zweites Elektron in ihrem Orbital haben. Und nun stell dir vor, dass sich zwei Chloratome treffen und soweit einander annähern, dass die beiden einfach besetzten Orbitale miteinander verschmelzen. Dann hättest du ein größeres Orbital, in dem nun zwei Elektronen wären. Dieses verschmolzene Orbital läge genau zwischen den beiden Chloratomrümpfen und würde sie miteinander verbinden. Und jetzt kommt der Clou! Jedes der beiden Chloratome kann nun für sich die Sache folgendermaßen sehen: "Ich habe in meinem ersten HEN 2 Elektronen. Im zweiten HEN habe ich 8 Elektronen. Im dritten HEN habe ich drei freie Orbitale mit jeweils 2 Elektronen (also 3 x 2 = 6 Elektronen) plus ein Bindungsorbital, in dem auch 2 Elektronen sind, die ich zu mir gehörig zählen kann. Das macht insgesamt 2 + 8 + 8 = 18 Elektronen. Wow, ich habe Edelgaskonfiguration!"
Toll, oder? In einer Atombindung werden also (meist) von beiden Bindungspartnern jeweils ein ungepaartes Elektron in ein neu gebildetes Bindungsorbital gesteckt, so dass ein bindendes Elektronenpaar entsteht. Dieses bindende Elektronenpaar kann dann von beiden Atomrümpfen gleichzeitig genutzt werden und führt für beide Rümpfe dazu, dass eine Edelgaskonfiguration erreicht werden kann. Hat ein Atom mehrere ungepaarte Elektronen in Orbitalen, können mehrere Atombindungen ausgebildet werden oder sogar Mehrfachbindungen (also mehrere bindende Orbitale zwischen zwei Bindungspartnern). So kommen Einfachbindungen zwischen den Bindungspartnern zustande, aber auch Doppelbindungen sind möglich oder sogar Dreifachbindungen.

Zum Abschluss werfen wir noch einen Blick auf die Bezeichnungen für diese Art Bindung.

Der Begriff "Atombindung" sollte dir jetzt einsichtig sein. Das drückt so viel aus wie eine Bindung zwischen zwei Atomen. Dieser Begriff stellt das Gegenstück zur oben beschriebenen Ionenbindung her. Wenn es zur Übergabe von Elektronen kommt, entstehen Ionen, die sich aneinander anlagern (binden), weil sie unterschiedlich geladen sind. Bei der Atombindung kommt es nicht zur Übergabe von Elektronen zwischen den Bindungspartnern, so dass keine Ionen entstehen. Dafür nutzen die Atome Elektronenpaare in vorher neu gebildeten Bindungsorbitalen gemeinsam. Da hier also die Atome Atome bleiben, besteht die Bindung zwischen Atomen (= Atombindung), logisch, oder?
Auch der zweite Begriff, den man für diese Art Bindung benutzt, ist jetzt unmittelbar verständlich. Der zweite Begriff lautet nämlich "Elektronenpaarbindung". Das kommt natürlich daher, dass es Elektronenpaare sind, die in den Bindungsorbitalen die Bindung zwischen den Atomen herstellen. Auch logisch, nicht wahr?
Als dritten Begriff für diese Bindungsart gibt es noch die Bezeichnung "kovalente Bindung". Das hat damit zu tun, dass es (in der Regel) die Elektronen im äußeren HEN sind, die solche Bindungen bilden. Die Außenelektronen werden auch "Valenzelektronen" genannt. Im Wort "kovalent" steckt dieser Ansatz drin. Das "ko-" kommt daher, dass die Valenzelektronen miteinander kooperieren müssen, damit die Bindung zustande kommt, verstehst du? Kooperierende Valenzelektronen = kovalente Bindung.

So, das war's, glaube ich...

LG von der Waterkant.

Wie funktionieren ...

Es gibt hier auch eine Suchfunktion. Das ist schon ziemlich oft erklärt worden.