Arten starker chemischer Bindungen einfach erklärt: Übersicht

Hast du dich jemals gefragt, warum ein Salzkristall hart ist und zersplittert, wenn man darauf schlägt, während man ein Stück Eisen problemlos verbiegen kann? Oder warum Wasser bei Raumtemperatur flüssig ist?

Die Antwort liegt tief im Inneren der Stoffe verborgen. Atome sind ungern allein. Sie verbinden sich miteinander, um einen stabileren Zustand zu erreichen. Wie sie das tun – also welchen „unsichtbaren Kleber“ sie verwenden – bestimmt, ob ein Stoff hart, weich, flüssig oder stromleitend ist. In dieser Lektion lernst du die drei wichtigsten Arten starker chemischer Bindungen kennen, wie Atome sich aneinander festhalten.

Vorwissen

• Metalle und Nichtmetalle: Das Periodensystem ist grob in Metalle (links und Mitte) und Nichtmetalle (rechts oben) unterteilt. Beispiel: Eisen (Fe) ist ein Metall, Sauerstoff (O) ist ein Nichtmetall.
• Edelgaskonfiguration: Atome streben danach, eine voll besetzte äußerste Elektronenschale zu haben, genau wie die sehr stabilen Edelgase. Beispiel: Ein Natriumatom gibt ein Elektron ab, um eine volle Schale zu erhalten.
• Ionen: Geladene Teilchen, die entstehen, wenn Atome Elektronen abgeben oder aufnehmen. Beispiel: $\text{Na}^+$ ist positiv geladen, $\text{Cl}^-$ ist negativ geladen.

Aufgabentyp 1: Die Ionenbindung (Salze)

Die erste der Arten starker chemischer Bindungen ist die Ionenbindung. Sie entsteht immer dann, wenn ein Metall auf ein Nichtmetall trifft. Man kann sich das wie einen perfekten Tauschhandel vorstellen.

Das Metallatom möchte Elektronen loswerden, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Es gibt seine Außenelektronen ab und wird dadurch zu einem positiv geladenen Kation. Das Nichtmetallatom nimmt diese Elektronen dankend auf und wird zu einem negativ geladenen Anion.

Da sich Plus und Minus wie bei Magneten stark anziehen (elektrostatische Anziehung), ordnen sich diese Ionen in einem riesigen, regelmäßigen 3D-Muster an. Das nennt man ein Ionengitter.

Stoffe, die aus Ionengittern bestehen, nennen wir Salze. Durch die starke Anziehung im Gitter haben Salze typische Eigenschaften:

• Sie haben sehr hohe Schmelz- und Siedetemperaturen.
• Sie bilden regelmäßige Kristalle, sind hart, aber spröde (sie zerbrechen mit glatten Kanten, wenn man darauf schlägt).
• Im festen Zustand leiten sie keinen Strom. Wenn man sie aber schmilzt oder in Wasser löst, können sich die Ionen frei bewegen und leiten dann den elektrischen Strom.

Aufgabentyp 2: Die Elektronenpaarbindung (Moleküle)

Eine weitere wichtige Form der Arten starker chemischer Bindungen ist die Elektronenpaarbindung (auch Atombindung genannt). Sie entsteht, wenn sich zwei Nichtmetalle verbinden. Da beide Nichtmetalle Elektronen haben wollen, um ihre Schale zu füllen, aber keines sie freiwillig abgibt, müssen sie teilen.

Die Atome rücken nah aneinander und nutzen einige ihrer Außenelektronen gemeinsam. Diese geteilten Elektronen bilden ein bindendes Elektronenpaar, das beide Atome wie ein starkes Seil zusammenhält. So entstehen Moleküle. Atome können auch zwei oder drei Paare teilen, dann spricht man von Doppel- oder Dreifachbindungen.

Welche Form haben Moleküle? Elektronen sind alle negativ geladen. Und was machen gleiche Ladungen? Sie stoßen sich ab! Nach dem sogenannten EPA-Modell (Elektronenpaar-Abstoßungs-Modell) ordnen sich die bindenden und nicht-bindenden Elektronenpaare so weit wie möglich voneinander entfernt an. Das zwingt das Molekül in bestimmte räumliche Formen, wie zum Beispiel eine Pyramide oder einen Tetraeder.

Stoffe, die aus Molekülen bestehen (wie Wasser, Wachs oder Sauerstoffgas), haben oft niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen und leiten keinen elektrischen Strom.

Aufgabentyp 3: Die Metallbindung

Die dritte der Arten starker chemischer Bindungen ist die Metallbindung. Sie tritt auf, wenn sich Metalle miteinander verbinden. Metalle haben nur wenige Außenelektronen und halten diese nicht besonders gut fest.

In einem Stück Metall geben alle Atome ihre Außenelektronen auf. Zurück bleiben die positiv geladenen Reste der Atome, die sogenannten Atomrümpfe. Die abgegebenen Elektronen schwirren nun völlig frei zwischen den Atomrümpfen umher. Weil es so viele sind und sie sich frei bewegen, nennt man das ein Elektronengas.

Die Anziehung zwischen den positiven Atomrümpfen und dem negativen Elektronengas hält das Metall zusammen. Dieses Modell erklärt die typischen Eigenschaften von Metallen perfekt:

• Elektrische Leitfähigkeit: Weil sich die Elektronen frei bewegen können, leiten Metalle den elektrischen Strom hervorragend.
• Verformbarkeit: Wenn man mit einem Hammer auf ein Metall schlägt, verschieben sich die Atomrümpfe. Das Elektronengas passt sich einfach an und hält alles weiter zusammen, ohne dass das Metall zerbricht.
• Metalle glänzen und leiten Wärme sehr gut.

Aufgabentyp 4: Die Bindungsart bestimmen

Wenn du in einer Prüfung herausfinden sollst, welche der Arten starker chemischer Bindungen in einem Stoff vorliegt, nutze diesen einfachen Plan:

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Schau dir die chemische Formel an und suche die beteiligten Elemente im Periodensystem. Sind es Metalle oder Nichtmetalle?
2. Kombiniere die Elementtypen: Metall + Nichtmetall = Ionenbindung, Nichtmetall + Nichtmetall = Elektronenpaarbindung, Metall + Metall = Metallbindung.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Ionenbindung: Metall + Nichtmetall. Elektronen werden übergeben. Es entsteht ein festes Ionengitter (Salze).
• Elektronenpaarbindung: Nichtmetall + Nichtmetall. Elektronen werden geteilt. Es entstehen Moleküle.
• Metallbindung: Metall + Metall. Frei bewegliche Elektronen (Elektronengas) halten die positiven Atomrümpfe zusammen. Macht Metalle verformbar und leitfähig.