Wieso haben manche Elemente nichtbindende Elektronenpaare und manche schon?

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2 Antworten

Moin,

das hat etwas mit dem Atombau zu tun. Es ist also eher nicht so, dass sie die Atome von Elementen "aussuchen" können, wie sie das handhaben "wollen".

Der Punkt ist, dass - vereinfacht gesagt - die Atomhülle, in der sich die Elektronen befinden kein Raum ist, in dem sich die Elektronen völlig willkürlich herumtreiben. Es gibt vielmehr Bereiche, in denen die Elektronen viel öfter anzutreffen sind als in anderen. Die Bereiche, in denen Elektronen mit einer 90%-igen Wahrscheinlichkeit anzutreffen sind, nennt man Orbitale.

Die Orbitale haben teilweise ziemlich unterschiedliches Aussehen, aber stark vereinfacht kannst du sie dir als kleine Kugeln vorstellen (Kugelwolkenmodell des Atombaus). Und dann gibt es ein paar einfache Regeln, wie diese Kugelwolken zu besetzen sind. In diesem Modell ist es nun so, dass die Orbitale von innen nach außen mit Elektronen zu besetzen sind (Energieregel). Je weiter innen eine Kugelwolke liegt, desto energiärmer ist der Zustand, was günstig ist. Die innerste Kugelwolke liegt kugelsymmetrisch um den Atomkern angeordnet. Das stellt das niedrigste Energieniveau dar. Ab dem zweitniedrigsten Energieniveau passen dann maximal vier Kugelwolken hinein. Allen Kugelwolken gemeinsam ist, dass in jedes dieser Orbitale maximal zwei Elektronen hineinpassen.

Eine weitere Regel besagt, dass die Kugelwolken höherer Energieniveaus (2. Stufe oder mehr) erst jeweils einfach besetzt werden müssen, bevor eine Auffüllung mit einem zweiten Elektron möglich ist. Das ist irgendwie einsichtig, denn Elektronen sind immerhin einfach negativ geladen. Es liegt auf der Hand, dass gleich geladene Ladungsträger einen möglichst großen Abstand zueinander haben wollen, da sie sich ja elektrostatisch gegenseitig abstoßen.

Wenn du nun also zum Beispiel die Besetzung der Orbitale eines Stickstoffatoms im Kugelwolkenmodell nachvollziehen willst, musst du zuerst gucken, wie viele Elektronen überhaupt zu verteilen sind. Das verrät dir die Ordnungszahl des Elements im Periodensystem der Elemente (PSE). Die gibt zwar streng genommen die Anzahl der Protonen im Atomkern an, aber weil in einem Atom die Protonenzahl auch der Elektronenzahl entspricht, zeigt sie eben auch, wie viele Elektronen das Atom hat.

Nun gut, Stickstoff steht an 7. Stelle im PSE (in der 5. Hauptgruppe und in der zweiten Periode). Platz 7 verrät dir also, wie viele Elektronen es in einem Stickstoffatom überhaupt gibt (Platz 7 heißt insgesamt 7 Elektronen). Die Hauptgruppenzahl verrät dir die Anzahl der Außenelektronen (Hauptgruppe 5 heißt 5 Valenzelektronen), während dir die Periode verrät, wie viele Hauptenergieniveaus (HENs) mit Elektronen zu besetzen sind (2. Periode heißt zwei HENs).

Die erste Kugelwolke liegt einsam direkt um den Atomkern. In ein Orbital passen maximal zwei Elektronen. Darum sind zwei der 7 Elektronen in dieser ersten Kugelwolke. Das heißt, dass im zweiten HEN noch fünf Elektronen sein müssen. In diesem HEN gibt es vier Kugelwolken. Jede wird zunächst einfach mit einem Elektron besetzt. Das macht noch einmal vier der fünf noch zu verteilenden Elektronen. Danach muss das letzte Elektron in eine schon einfach besetzte Kugelwolke, weil es auf dieser Energiestufe sonst keine weiteren Kugelwolken mehr gibt. Damit hast du dann zwei Elektronen ganz innen (Rumpfelektronen) und fünf im äußeren HEN (= 5 Valenzelektronen - wie gefordert). Außerdem sind insgesamt zwei HENs besetzt (wie gefordert). Im äußeren (zweiten HEN) sind drei der vier Kugelwolken jeweils mit einem Elektron besetzt, während eine der vier Kugelwolken doppelt besetzt ist. In dieser einen Kugelwolke gibt es also ein Elektronenpaar. Da dieses Paar aber keine Bindung zu einem anderen Atom herstellt, bezeichnet man es als "freies" oder "nicchtbindendes Elektronenpaar".
Die übrigen drei ungepaarten Elektronen in den drei anderen Kugelwolken finden ihren ungepaarten Zustand nicht gerade "prickelnd". Sie können diesen Zustand beenden, wenn sie sich mit ebenfalls ungepaarten Elektronen anderer Atome paaren. Nur führt das zu einer Bindung zwischen den Atomen, so dass solche Elektronenpaare als "bindend" bezeichnet werden.

Ich hoffe, du konntest alles nachvollziehen. Wie du siehst, ist das nicht beliebig, sondern hängt von Anzahl an Elektronen sowie von der Besetzung von Orbitalen in Atomen zusammen.

LG von der Waterkant.

Sims3Suchti16 03.04.2017, 14:24

Das haben wir eh alles schon letztes Jahr gemacht, aber irgendwie stell ich die Verbindung da nicht richtig her. Also sind die Valenzelektronen nicht die Elektronen im "letzten" Orbital, sondern man kann das Orbitalmodell nicht mit dem Schalenmodell vergleichen? Oder verstehe ich da schon wieder etwas falsch?

Oder können sich die Elektronen doch aussuchen, ob sie sich binden oder nicht? Radikale bleiben in der Form nicht lange so, das ist mir klar, aber könnte ein Element zum Beispiel anstatt zwei Bindungen einzugehen, ein Elektronenpaar bilden?

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DedeM 03.04.2017, 17:40
@Sims3Suchti16

In der Regel nicht, weil der Sinn einer (wie auch immer gearteten) Verbindung ist, in der Atomhülle eine Anordnung und Anzahl von Elektronen hinzubekommen, wie sie Edelgasatome von Natur aus haben.

Wenn ich noch einmal auf das oben genannte Beispiel des Stickstoffatoms zurückkommen darf, dann benötigt der Stickstoff für die energetisch so günstige Edelgaskonfiguration insgesamt acht Elektronen. Das Stickstoffatom selbst hat fünf. Ihm fehlen also noch drei weitere. Mit einem Bindungspartner wie einem Metallatom, das eher bereit ist, seine Valenzelektronen ganz abzugeben, könnte ein Stickstoffatom drei Elektronen aufnehmen und so zum dreifach negativ geladenen Nitrid-Anion werden.

Wenn aber der Bindungspartner selbst keine Elektronen abgeben möchte (wie beispielsweise ein Wasserstoffatom), dann kommt es dazu, dass sich das Stickstoffatom die drei für die Edelgaskonfiguration fehlenden Elektronen mit Hilfe von Atombindungen (= Elektronenpaarbindungen) verschafft. Und dann würde es nicht reichen, wenn zum Beispiel eine Atombindung zu einem Wasserstoffatom ausgebildet würde, während sich die beiden noch ungepaarten Elektronen in einer Kugelwolke zu einem nichtbindenden Elektronenpaar vereinen würden. Dann hätte dieses Stickstoffatom nämlich nur sechs Elektronen in seiner äußeren Schale (zwei nichtbindende Elektronenpaare + ein bindendes Elektronenpaar) und somit keine Edelgaskonfiguration.

Ausschlaggebend ist also, ob die Edelgaskonfiguration erreicht wird. Es gibt allerdings auch Fälle, in denen man sich schon vorstellen kann, dass ungepaarte Elektronen aus eigenen Kugelwolken in einer Kugelwolke gepaart werden. Beim Kohlenstoffmonoxid haben sowohl der Kohlenstoff als auch der Sauerstoff je ein nichtbindendes Elektronenpaar sowie drei bindende Elektronenpaare zwischen sich. Dabei hat der Kohlenstoff eine negative, der Sauerstoff einen positive Formalladung, weil das C-Atom formal fünf Elektronen hätte, wenn man die drei bindenden Elektronenpaare gerecht zwischen den Bindungspartnern aufteilen würde. Umgekehrt hätte Sauerstoff dann formal dieses eine Elektron zu wenig, daher seine positive Formalladung. Dass es diese Verbindung trotzdem gibt, liegt also daran, dass beide Atome trotz ihrer Formalladungen beide die Edelgaskonfiguration erreichen, was offenbar energetisch günstiger ist, als ungeladen, aber allein zu bleiben.
Wenn du dich fragst, wie diese Bindung dann zustande kommt, so könnte man schon vermuten, dass sich zwischen C und O zunächst zwei Elektronenpaarbindungen auf die "übliche" Art ausbilden, dann die noch ungepaarten Elektronen des C-Atoms in eine Kugelwolke gepackt werden und schließlich die Elektronenlücke am C-Atom dadurch geschlossen wird, dass die dritte Elektronenpaarbindung ausschließlich von einem der beiden zunächst nichtbindenden Elektronenpaare des Sauerstoffatoms gestellt wird (dative Bindung). Aber es ist irgendwie müßig, sich das so herzuleiten, denn es sind bei den Ausbildungen von Molekülorbitalen aus Atomorbitalen noch andere Wege vorstellbar.

Was die andere Frage angeht, inwieweit die Atommodelle austauschbar bzw. miteinander vergleichbar sind, lässt sich sagen, dass die einzelnen Atommodelle Weiterentwicklungen aus ihren Vorgängern darstellen, damit mehr Phänomene erklärbar werden konnten.
Ich würde in diesem Zusammenhang aber zum Beispiel nicht davon sprechen, dass die älteren Modelle falsch seien. Sie sind eher primitiver und können bestimmte Sachverhalte eingeschränkter oder gar nicht erklären. Wenn du aber zum Beispiel den Wechsel von Aggregatzuständen erklären willst oder die sogenannten chemischen Grundgesetze, so reicht Daltons Atomhypothese dafür völlig aus. Dazu benötigst du kein Orbitalmodell. Wenn du dagegen verstehen willst, wie Ionen entstehen, dann ist Daltons Modell ungeeignet, nicht aber das Schalenmodell. Und wenn du schließlich verstehen willst, wieso das Drei-Atome-Molekül Wasser ein gewinkeltes Molekül und ein Dipol ist, während das Drei-Atome-Molekül Kohlenstoffdioxid linear und kein Dipol ist, dann brauchst du dafür eben mindestens das Kugelwolkenmodell. Es kommt eben auf den Kontext und die Fragestellung an, wann du welche Modellvorstellung am besten verwendest.

In diesem Sinne

nochmals ein lieber Gruß von der Waterkant.

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Sims3Suchti16 06.04.2017, 21:13
@DedeM

Wow, danke, dass du dir die Mühe einer so langen Antwort gemacht hast!!

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Nichtbindende elektronenpaare sind erstmal alle Paare, die in den inneren schalen liegen. Bindende elektronenpaare sind die, die eine Bindung mit einem anderen Atom eingehen, daher liegen diese immer in der äußersten Schale.

Sims3Suchti16 03.04.2017, 12:29

Im Internet steht auch, dass das Valenzelektronen sind.

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69toto 03.04.2017, 12:30

Doch, in der äußersten Schale gibt es auch nichtbindende Paare :)

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