Die kovalente Bindung einfach erklärt: Moleküle & Regeln

Hast du dich jemals gefragt, warum die meisten Stoffe in unserer Welt nicht aus einzelnen, einsamen Atomen bestehen, sondern aus fest verbundenen Molekülen? Stell dir vor, du hast ein unvollständiges Kartenspiel und dein Freund hat ebenfalls ein unvollständiges. Wenn ihr eure Karten zusammenlegt und teilt, habt ihr beide ein vollständiges Spiel und könnt spielen!

Genau das machen Nichtmetall-Atome in der Chemie. Sie haben nicht genug eigene Außenelektronen, um wunschlos glücklich zu sein. Also tun sie sich zusammen und teilen ihre Elektronen miteinander. In dieser Lektion lernst du, wie die kovalente Bindung (auch Elektronenpaarbindung genannt) funktioniert, wie man sie zeichnet und warum sie Moleküle so unglaublich stabil macht.

Schnellantwort

Die kovalente Bindung (oder Elektronenpaarbindung) ist die chemische Bindung zwischen Nichtmetall-Atomen. Dabei teilen sich die Atome gemeinsame Elektronenpaare, um eine vollbesetzte Außenschale (Edelgaskonfiguration) zu erreichen und so stabile Moleküle zu bilden.

Vorwissen

• Valenzelektronen (Außenelektronen): Die Elektronen auf der äußersten Schale eines Atoms. Sie sind für chemische Reaktionen verantwortlich. Beispiel: Kohlenstoff steht in der 4. Hauptgruppe und hat daher 4 Valenzelektronen.
• Edelgase: Elemente der 8. Hauptgruppe. Sie sind extrem stabil, weil ihre Außenschale voll besetzt ist (meistens mit 8 Elektronen). Beispiel: Neon reagiert fast nie mit anderen Stoffen, weil es bereits 8 Außenelektronen besitzt.

Aufgabentyp 1: Strukturformeln aufstellen

Elektronen bewegen sich rasend schnell um den Atomkern. Weil sie so schnell sind, bilden sie eine Art unscharfe Hülle, die wir Elektronenwolke nennen. Wenn sich nun zwei Nichtmetall-Atome begegnen, können sich ihre Elektronenwolken durchdringen und überlappen.

In diesem überlappenden Bereich tun sich ein Elektron des ersten Atoms und ein Elektron des zweiten Atoms zusammen. Sie bilden ein gemeinsames bindendes Elektronenpaar. Dieses Paar zieht beide positiven Atomkerne an und wirkt wie ein starker Kleber, der die Atome zu einem Molekül zusammenhält. Das nennt man Elektronenpaarbindung (oder kovalente Bindung).

Dabei spielen zwei wichtige physikalische Größen eine Rolle:

• Bindungsenergie: Wenn sich die Atome verbinden, schnappen sie zusammen wie zwei starke Magnete. Dabei wird Energie freigesetzt. Will man das Molekül später wieder in einzelne Atome zerreißen, muss man genau diese Energiemenge wieder hineinstecken. Weil das Molekül Energie abgegeben hat, ist es energieärmer und somit viel stabiler als die einzelnen Atome.
• Bindungslänge: Die Atome dürfen sich nicht zu nah kommen (sonst stoßen sich die Kerne ab), aber auch nicht zu weit entfernt sein. Sie pendeln sich bei einem perfekten Wohlfühlabstand ein. Dieser ideale Abstand zwischen den Atomkernen, bei dem das Molekül am stabilsten ist, heißt Bindungslänge. Du kannst dir das vorstellen, als wären die Atome mit einer unsichtbaren Feder verbunden.

Um nicht immer aufwendige Wolken zeichnen zu müssen, hat der Chemiker Gilbert Lewis eine geniale und einfache Schreibweise erfunden: Die Strukturformel (auch Valenzstrichformel genannt). Hierbei zeichnen wir nur die wichtigen Außenelektronen (Valenzelektronen).

Die Regeln dafür sind ganz logisch:

1. Ein einzelnes Elektron wird als Punkt gezeichnet.
2. Zwei Elektronen, die ein Paar bilden, werden als Strich gezeichnet.

Stell dir vor, jedes Atom hat vier freie Plätze (Wolken) um sich herum: oben, unten, links und rechts. Wir verteilen die Außenelektronen zuerst einzeln auf diese Plätze. Wenn alle vier Plätze einen Punkt haben, müssen sich weitere Elektronen dazugesellen und bilden Paare (Striche).

Wenn sich nun Atome verbinden, suchen sie sich Partner, die ebenfalls einzelne Punkte haben. Sie verbinden ihre einzelnen Punkte zu einem gemeinsamen Strich zwischen den Atomen. Das ist das bindende Elektronenpaar. Striche, die nur zu einem einzigen Atom gehören und nicht verbinden, nennt man nicht-bindende (oder freie) Elektronenpaare.

Manchmal reicht eine einfache Bindung nicht aus. Wenn Atome mehrere einzelne Punkte haben, können sie auch zwei oder drei gemeinsame Paare bilden. Das nennt man dann Doppelbindung (z. B. $\text{O}=\text{C}=\text{O}$) oder Dreifachbindung (z. B. $\text{N}\equiv\text{N}$).

Warum machen Atome das alles? Ihr großes Ziel ist es, so stabil zu werden wie die Edelgase. Das bedeutet, sie wollen eine vollbesetzte Außenschale haben. Für fast alle Atome bedeutet das: Sie wollen genau 8 Außenelektronen um sich herum haben. Das nennt man die Edelgasregel (oder Oktettregel).

Ausnahme: Das kleine Wasserstoffatom (H) hat nur eine winzige Schale. Diese ist bereits mit 2 Elektronen voll.

Wenn wir überprüfen wollen, ob ein Molekül stabil ist, zählen wir die Elektronen in der Strukturformel. Der wichtigste Trick dabei ist: Das gemeinsame, bindende Elektronenpaar in der Mitte gehört beiden Atomen gleichzeitig!

Wenn du in Gedanken einen Kreis um ein Atom ziehst, musst du alle eigenen (nicht-bindenden) Striche und die verbindenden Striche mitzählen. Jeder Strich zählt als 2 Elektronen. Wenn du am Ende auf 8 kommst (bzw. 2 bei Wasserstoff), ist das Molekül korrekt und stabil gezeichnet.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Valenzelektronen bestimmen: Schau im Periodensystem nach der Hauptgruppe des Elements. Die Hauptgruppennummer verrät dir die Anzahl der Außenelektronen.
2. Atome einzeln zeichnen: Schreibe das Elementsymbol auf. Verteile die Außenelektronen als Punkte auf die vier Seiten. Ab dem 5. Elektron bildest du Paare (Striche).
3. Einzelne Elektronen verbinden: Kombiniere die einzelnen Punkte von verschiedenen Atomen zu gemeinsamen Strichen (bindenden Elektronenpaaren) zwischen den Atomen. Jedes Atom sollte am Ende keine einzelnen Punkte mehr haben.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Elektronenpaarbindung: Nichtmetalle teilen sich Elektronen, um stabile Moleküle zu bilden.
• Lewis-Schreibweise: Ein Punkt steht für 1 Elektron, ein Strich steht für ein Elektronenpaar (2 Elektronen).
• Edelgasregel: Atome teilen so viele Elektronen, bis sie von 8 Elektronen (bei Wasserstoff: 2) umgeben sind.
• Zählen: Ein Bindungsstrich zwischen zwei Atomen zählt bei der Überprüfung für beide Atome voll mit.