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Die Ionenbindung entsteht durch Abgabe bzw. Aufnahme von
Elektronen (Elektronentransfer, Elektronenübergang) aus den äußersten
Elektronenschalen der Atome. In der Regel tritt sie als Bindung zwischen
Metallen und Nichtmetallen auf.
Stofflich gesehen findet sich die Ionenbindung v.a. bei den
sogenannten „Salzen". Dieser Verbindungstyp bestehen aus einem
positiv geladenen Kation (Ladungsüberschuss der positiven Ladungen [Protonen] im
Kern) und einem negativ geladenen Anion (Ladungsüberschuss der negativen Ladungen [Elektronen] in
der äußersten Schale.
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Der Ladungsüberschuss/ ~mangel kann mehrfach auftreten und
wird durch die entsprechende Anzahl von Ionen ausgeglichen:Ionenverbindungen sind neutral. Durch den Übergang (Abgabe/Aufnahme)
von einem oder mehreren Valenzelektronen aus der/den äußersten Schale/n erreichen die so gebildeten Ionen in ihren
Verbindungen
energetisch stabilere Zustände [Born- Haber-Kreisprozess], die sogenannten
„Achterschalen". Diese
entsprechen - in einem vereinfachten Ansatz - in ihrer Elektronenzahl dem
vorangegangen bzw. nachfolgenden Edelgas, weswegen die so erreichte
Elektronenverteilung als „Edelgaskonfiguration" bezeichnet wird. |
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Die durch Elektronenabgabe/ -aufnahme entstandenen Ionen
„haften"
aneinander, d.h. sie ziehen sich wegen ihrer unterschiedlichen Ladungen
gegenseitig an. Diese sehr feste Anziehung führt zu einer geordneten
kristallinen Struktur im festen Zustand, zu hohen Schmelz- und
Siedepunkten, zur elektrischen Leitfähigkeit im geschmolzenen oder
gelösten Zustand. In Lösungen (s. Abb. 2) umgeben sich die Ionen
deswegen mit einer Hülle aus polaren Wassermolekülen (Hydration oder
Hydratation, Ergebnis: Hydrathülle).
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1.2. Die Molekülbindung - Atombindung - kovalente Bindung
Bei der Molekülbindung wird unterschieden in 1. Bindungen zwischen
gleichartigen Atomen und 2. Bindungen zwischen ungleichartigen Atomen. |
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1. Unpolare Molekülbindung:
Die unpolare Molekülbindung entsteht durch Bildung
gemeinsamer Elektronenpaare zwischen den beteiligten Atomen des
gleichen Elements. Durch die Bildung gemeinsamer Elektronenpaare
(eines oder mehrere) wird die gegenseitige Abstoßung der
positiv geladenen Atomkerne bzw. Atomrümpfe verhindert. Das
gemeinsame Elektronenpaar „gehört" beiden
Bindungspartnern und verteilt sich symmetrisch auf einer
gedachten Achse zwischen den Atomkernen. Dadurch erfüllen die an
der Bindung beteiligten Atome die „Oktettregel", d.h. beide
Partner kommen in den „Genuss" einer voll gefüllten
Achterschale. Energetisch erreichen beide Bindungspartner einen
niedrigeren
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Energiezustand als jeder Partner alleine mit
einem ungepaarten Elektron. |
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2. Polare Atombindung:
Sie entsteht dadurch, dass einer der beiden Bindungspartner
mehr Anziehungskraft auf das gemeinsame Elektronenpaar ausüben
kann als der andere. Dadurch kommt es zu einer
Ladungsverschiebung oder Ungleichverteilung des gemeinsamen
Elektronenpaares: es entsteht ein Dipol. Hervorgerufen wird
dieser Effekt durch bestimmte Eigenschaften eines
Bindungspartners, die in dem Begriff der „Elektronegativität"
zusammengefasst werden. Die Elektronegativität gibt an, wie
stark ein Partner einer Molekülbindung das gemeinsame
Elektronenpaar zu sich verschieben kann. Das Ausmaß der
Ladungsverschiebung wird dann durch die
Elektronegativitätsdifferenz deutlich.
So entspricht eine EN-Differenz von ca. 1,7
einer 50%-igen Ionenbindung, eine Differenz von 1,2 einer 30%-igen
Ionenbindung usw. Mit anderen Worten: bei jeder polare Atombindung kann
ihre Polarität auch über einen bestimmten Ionenbindungsanteil
verdeutlicht werden. |
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| Folgende Tabelle 1 verdeutlicht eine praktikable Einteilung: |
| An der Bindung
beteiligte Atome |
Elektronegativitätsdifferenz
nach Pauling |
Formel |
Charakter der
Bindung |
Ionenbindungsanteil |
| Br, Br |
0 |
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kovalent unpolar |
0% |
| H, Cl |
0,9 |
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kovalent polar |
20% |
| S, F |
1,5 |
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kovalent polar |
45% |
| Na, F |
3 |
Na+F- |
Ionenbindung |
90% |
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I.3. Die
Metall- oder metallische Bindung
Metalle bilden in der Regel ausgedehnte,
dreidimensionale metallische Gitter. Das Elektronengasmodell
erklärt die metallische Bindung zwischen den Atomen
folgendermaßen: die Metallatome besetzen als Atomrümpfe die
Plätze in einem Gitter. Atomrümpfe sind die Rest-Atome ohne
ihre Valenzelektronen. Diese können sich wie ein Gas zwischen
den Atomrümpfen bewegen. Die freie Beweglichkeit der Elektronen
zwischen den Rümpfen führt zu einer erhöhten Elektronendichte
zwischen den Atomen und damit zu einer Bindung der Atomrümpfe
untereinander über die frei beweglichen Elektronen. Das sog. „Energiebändermodell"
beschreibt die metallischen Bindung auf der Grundlage eines
anderen Atommodells („Orbitalmodell"). |
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| II. Zu den Sekundärbindungen
gehören |
| 4. |
die Wasserstoffbrückenbindung |
| 5. |
die Dipol-Dipol-Bindung |
| 6. |
Die Van-der-Waals-Bindung |
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II.4. Die Wasserstoffbrückenbindung
Struktur:
Die Wasserstoffbrückenbindung ist eine besondere
Art der Dipol-Dipol-Bindung: ein H-Atom wirkt als Brücke
zwischen zwei stark elektronegativen Atomen, wobei es mit dem
einen Atom durch eine polare kovalente Bindung und mit
dem anderen durch elektrostatische Kräfte verbunden ist.
Entstehung:
Ist Wasserstoff an ein stark elektronegatives Atom gebunden, so
wird die bindende Elektronenwolke
überwiegend in Richtung auf das |
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elektronegativere Atom verzerrt und somit
der Wasserstoffkern partiell freigelegt. Die positive
Ladung des nur schwach abgeschirmten Wasserstoffkerns wird durch
die negative Ladung der/des freien nichtbindenden
Elektronenpaars/~paares in einem anderen Molekül angezogen. |
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Stärke:
Diese Anziehung ist mit einer Stärke von ca. 20 kJ/mol viel
geringer als die kovalente Bindung, die eine Bindungsenergie von
ca. 200 bis 400 kJ/mol aufweist. Jedoch ist sie viel
ausgeprägter als andere Dipol-Dipol-Anziehungen.
Darstellung:
WBB werden in Formeln i.a. als gestrichelte Linien
wiedergegeben:
Auftreten:
WBB sind nur dann von Bedeutung, wenn beide an der Bindung
beteiligten Atome zu der N O F -Gruppe gehören: nur
Wasserstoff, der an diese drei Elemente gebunden ist, wird so
stark in der kovalenten Bindung polarisiert, und nur diese drei
Elemente sind elektronegativ genug, dass die notwendige
Anziehung zustande kommt. Die außergewöhnliche Wirkung beruht
auf der hohen negativen Ladung, die auf ihren kleinen Atomkern
konzentriert ist.
Im Wasser ist die Wasserstoffbrückenbindung verantwortlich
für Erscheinungen wie die Anomalie des Wassers, das Schwimmen von Eisbergen, die Bildung
von Eiskristallen usw. Biologisch ist die WBB von höchster Bedeutung
für das Leben, der Spannungsbogen reicht von der Struktur der Eiweiße
über die der DNS bis zur Funktion von Enzymen. |
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II.5. Die
Dipol-Dipol-Bindung (DDB)
Ähnlich wie bei der WBB ist eine starke Elektronegativitäts-
differenz in einem Molekül Voraussetzung für eine DDB: durch
die permanente Verschiebung der Ladung entstehen Dipole, die
sich gegenseitig elektrostatisch anziehen, ohne jedoch Ladung zu
übertragen. Die DDB existiert nur in sog. „Nahbereichen",
d.h. nur eine kleine Anzahl von Molekülen ist z.B. in einer
Flüssigkeit so zu- und aneinander orientiert, dass man von
einer „Nahordnung" sprechen kann. Die Wärmebewegung der
Moleküle („Brownsche Bewegung") stört diese Nahordnung
immer wieder, andererseits baut sie sich immer wieder neu auf.
Moleküle gleicher Masse sieden beim Vorliegen einer DDB tiefer
als Moleküle mit WBB. Wenn in einem polaren Molekül kein an
ein NOF-Atom gebundenes Wasserstoffatom vorliegt, wirkt die DDB.
Auch das Wassermolekül besitzt diese Dipol-Struktur aufgrund
der unterschiedlichen Elektronegativitäten der Bindungspartner
Wasserstoff und Sauerstoff. Allein für die Bindung unter den
Wassermolekülen ist die WBB verantwortlich. |
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II.6. Die Van-der-Waals-Bindung
Die schwächste aller Sekundärbindungskräfte ist die Van-der-Waals-Kraft. Ihr
Zustandekommen wird dadurch erklärt, dass in an für sich
unpolaren oder nur schwach polaren Molekülen zufällige Ladungs-
verschiebungen stattfinden. Aus einem unpolaren Molekül wird
für den Bruchteil einer Zeiteinheit ein schwach polares
Molekül, das auf seine Nachbarmoleküle polarisierend wirkt:
der induzierende Dipol induziert andere Moleküle zu Dipolen
(induzierte Dipole). Da die Ungleichverteilung der Ladung
nur geringfügig ist, und zudem zeitlich nur kurz dauert,
kommt es immer wieder zu unterschiedlichen Ladungsverteilungen:
ein induzierter Dipol kann im nächsten Moment neutral sein und
dann wieder als |
| induzierender Dipol
wirken. Vor allem die Größe der Oberfläche eines Moleküls
wirkt sich günstig auf die VdWK aus: Je größer die
Oberfläche, desto stärker die VdWK. Bei höher- und
hochmolekularen KW kann die VdWK die WBB übersteigen, vielfach
sind VdWK dafür verantwortlich, dass hochmolekulare Stoffe
keinen definierten Schmelz- und Siedepunkt haben, sondern sich
beim Erwärmen zersetzen. |
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Tabelle 2: Kräfte zwischen Ionen und Molekülen |
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| Typ der
Wechselwirkung |
typische Energie
[kJ/mol] |
wechselwirkende
Teilchen |
| Ion-Ion |
250 |
nur zwischen Ionen |
| Ion-Dipol |
15 |
Ionen und polare Moleküle |
| Dipol-Dipol |
2 |
zwischen ruhenden
polaren Molekülen |
Van-der-Waals-Bindung
(London'sche Dispersionskräfe) |
2 |
zwischen allen Arten unpolarer und
schwach polarer Moleküle |
| Wasserstoffbrückenbindung |
20 |
zwischen N-O-F-Verbindungen und
einem ebenso gebundenen H-Atom |
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Tabelle 3: Graphischer Überblick zu Primär- und
Sekundärbindungen |
Primärbindungen
|
| kovalente Bindung oder
Molekülbindung |
Ionenbindung |
Metallbindung |
| unpolar |
polar |
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| VdWK |
DDB |
WBB |
| Sekundärbindungen |
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| Alle Bindungsarten beruhen auf und benutzen
verschiedene Modellvorstellungen. Diese unterscheiden sich in der
Reichweite ihrer Erklärungsraums und in ihrer Komplexität.
Verschiedene Autoren teilen zudem die Sekundärbindungskräfte anders
ein und unterscheiden nur zwischen DDB- und VdW-Bindungen. Eine
spezielle Art der DDB ist dann die WBB, eine spezielle Art der VdWK ist
dann die VdWB unter unpolaren Molekülen (sog. Dispersionskräfte). |
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| Literaturangaben:
M. Tausch, M. v. Wachtendonk: Chemie I; C.C. Buchner, Bamberg
F. Seel: Atombau und chemische Bindung, F. Enke-Verlag, Stuttgart
P. W. Atkins, J. A. Beran: Chemie - einfach alles; VCH, Weinheim
R. E. Dickerson, H. B. Gray, G. P. Haight: Prinzipien der Chemie;
Walter de Gruyter, Berlin
G. Graeb: Reaktionen und Mechanismen - Organische Chemie 1 in der
Kollegstufe, DBV, München
W. J .Moore, D.O. Hummel: Physikalische Chemie; de Gruyter, Berlin |