Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Alle Stoffe bestehen aus Atomen. „Eine Verbindung enthält die Atome der Elemente aus denen sie entstanden ist. Bei er Bildung der Verbindung sind also Atome miteinander „verbunden“ worden. Es müssen also zwischen ihnen Kräfte (Bindungen) wirksam sein. Auch in den reinen Elementen treten die Atome zu größeren Verbänden zusammen. Nur die Edelgase existieren als voneinander völlig unabhängige Individuen. Da nicht jede denkbare Kombination von Atomen stabilen Verbindungen entspricht, hat man einige empirische Regeln aufgestellt, um das experimentelle Tatsachenmaterial zu ordnen.“ (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen „Erst die Theorie der „chemischen Bindung“ vermochte mit Hilfe der Atommodelle die Stabilität und das Zustandekommen von Atomverbänden sowie die Beziehungen zwischen Aufbau und Eigenschaften der Stoffe weitgehend zu erklären“. (2) Eine chemische Bindung beruht darauf, dass es für die meisten Atome oder Ionen energetisch günstiger ist, an geeignete Bindungspartner gebunden zu sein, anstatt als ungebundenes Teilchen vorzuliegen. Grundlage der Bindung: Elektrostatische Wechselwirkungen Wechselwirkung der Elektronen zweier oder mehrerer Atome Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Parameter zur Beschreibung der Bindung (experimentell bestimmbar): Bindungslänge (Abstand zwischen den Atomkernen) Bindungsenergie (Stärke der Bindung) Typen der chemischen Bindungen: Ionische Bindung Metallische Bindung Kovalente Bindung Wechselwirkungen Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Übersicht der Typen der chemischen Bindung: (1) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen „Bindungen lassen sich durch Zuführung von Energie, etwa in Form von Wärme oder Licht, spalten. Die dadurch entstehenden einzelnen Atome oder Moleküle haben häufig eine hohe Neigung, sich erneut zu binden (in statu nascendi). Die Neubindung kann an der vorher gespaltenen Stelle stattfinden, oder sie erfolgt an anderen Atomen oder Molekülen.“ (4) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Ionische Bindung: „Durch die Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen werden die Atome elektrisch geladen, denn die Zahl der Elektronen in der Hülle entspricht nach der Elektronenübertragung nicht mehr der Zahl der Protonen im Kern. Solche elektrisch geladenen Atome (oder auch Atomgruppen) nennt man Ionen (Einzahl Ion)“ (2) Metallatome bilden positiv geladene, Nichtmetallatome negativ geladene Ionen. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Vergleich von Atomen und Ionen: (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen „Durch einen solchen Elektronenübergang entsteht zunächst ein Ionenpaar Na+ und Cl-, das auf andere Ionen sehr starke Anziehungskräfte ausübt. Die von den Ionen ausgehenden Kräfte räumlich allseitig wirken, wird sich ein positives Ion allseitig mit negativen Ionen zu umgeben suchen und umgekehrt. Die Ionenpaare bleiben deshalb nicht als Moleküle erhalten, sondern es kommt zur Bildung eines Ionengitters, d.h. eines Kristallgitters mit Ionen als Gitterbausteinen. Die Ladungen der Ionen heben sich gegenseitig auf, so daß der Kristall als Ganzes elektrisch neutral ist. Da die zwischen den gitterbausteinen (den Ionen) wirkenden Kräfte verhältnismäßig stark sind, schmelzen Ionenkristalle im allgemeinen hoch bis sehr hoch.“ (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Die Ionische Bindung ist: Eine ungerichtete Bindung Sie hat eine große Reichweite Sie wirkt in allen Richtungen gleich stark Sie ist eine starke Bindung „Bei der Reaktion von Metallen und Nichtmetallen kommt es durch die große Elektronennegativitätsdifferenz zu einer Übertragung von Valenzelektronen des Metalls auf das Nichtmetall und damit zu elektrisch geladenen Atomen, den Ionen“. (4) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Quelle: docplayer.org Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Elektronegativität: „Um Bindungspolaritäten abschätzen zu können, benützt man eine empirisch ermittelte Größe, die sogenannte Elektronennegativität (EN). Die Elektronennegativität eines Atoms wird definiert als seien Fähigkeit, in einer Atombindung Elektronen anzuziehen. Sie ist umso größer, je kleiner der Atomrumpf und je höher seine Rumpfladung ist. Besonders große Elektronegativitäten erwartet man also für die Elemente Fluor (F), Sauerstoff (O) und Chlor (Cl). Die Polarität einer Bindung ist um so größer, je mehr sich die beiden Atome in der Elektronegativität unterscheiden. Als Maß für die EN dient eine Skala von relativen zahlen, die von Pauling empirisch abgeleitet wurde, wobei das elektronegativste Element die willkürliche Zahl 4,0 erhielt:“ (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Valenzelektronen: „Die Außenelektronen sind am wenigsten stark an den Kern gebunden und am leichtesten vom Atom zu entfernen; sie sind weitgehend für das chemische Verhalten eines Elementes verantwortlich. Diese Außenelektronen heißen häufig auch Valenzelektronen. Koordinationszahl: Die Koordinationszahl gibt an, wie viel Atome (bzw. Ionen) einem Atom (bzw. Ion) unmittelbar benachbart sind. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen „Ionenwertigkeit“: Die positive oder negative Ladung eines Ions wird auch als Ionenwertigkeit (Ladungszahl) bezeichnet. Zwischen der Ionenwertigkeit und der Anzahl der Valenzelektronen besteht ein unmittelbarer Zusammenhang: Die positive Ionenwertigkeit ist gleich der Anzahl der abgegebenen Valenzelektronen. Die negative Ionenwertigkeit ist gleich der Anzahl der aufgenommenen Valenzelektronen. Beispiele: Natriumion Na+ +1 Chloridion Cl- -1 Aluminiumion Al+++ +3 Oxidion O-- -2 Sulfation SO4-- -2 Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Metallische Bindung: „Bei der metallischen Bindung liegt im Gegensatz zur ionischen oder kovalenten Bindung frei bewegliche Elektronen vor, die nicht an ein bestimmtes Atom gebunden sind. Ein einfaches Modell ist das des Elektronengases, bei dem die Valenzelektronen ein negativ geladenes „Gas“ bilden, das die positiv geladenen „Atomrümpfe“ eines Metallgitters vollständig umgibt und für den Ladungsausgleich sorgt. Der Energiegewinn bei Ausbildung einer metallischen Bindung resultiert vorwiegend aus der starken Reduzierung der kinetischen Energie der Teilchen im Elektronengas. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Ein stabiles metallisches Gitter ergibt sich durch Überlagerung und Summierung der Abstoßung zwischen den Atomrümpfen sowie der Anziehung zwischen dem Elektronengas und den positiven geladenen Metallkationen in einem Gleichgewichtszustand der Atomrümpfe. Im festen Zustand sind diese in der dichtest-möglichen Packung angeordnet; etwa 60 % aller Metalle kristallisieren in der hexagonal oder kubisch dichtesten Kugelpackung“ (4) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Darstellung: Metallische Bindung Quelle: Schullv.de Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Darstellung: dichteste Kugelpackung Quelle: Slideserve.org Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Kovalente Bindung: Die kovalente Bindung ist: Eine gerichtete Bindung, sie ergeben daher Moleküle oder Atomgitter Sie hat eine begrenzte Reichweite Sie ist eine starke Bindung Die Atombindung beruht auf der Bildung von gemeinsamen Elektronenpaaren! Die Atombindung wird mit Hilfe von Elektronenformeln wie folgt symbolisiert: Jedes Elektron wird durch einen Punkt symbolisiert: Jedes Elektronenpaar wird durch einen Strich symbolisiert: Nur das bindende (gemeinsame) Elektronenpaar wird durch einen Strich symbolisiert Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Quelle: ahoefler.de Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Für organische Verbindungen ist die Atombindung charakteristisch. Atomgitter werden nur von verhältnismäßig wenigen Stoffen gebildet. Als typisches Beispiel gilt der elementare Kohlenstoff in Form des Diamanten. Zu einer Atombindung kommt es vor allen dann, wenn sich zwei Atome einander nähern, von denen jedes mindestens ein nur einfach besetztes Orbital aufweist. Bei einer Vereinigung von Atomen zu Molekülen wird der energieärmste Zustand angestrebt. Aus zwei einfach besetzten Atomorbitalen entsteht bei der Atombindung ein voll besetztes Molekülorbital. Die Atombindungen beruhen auf der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen den positiven Atomkernen und den negativen Ladungen der in den bindenden Molekülorbitalen vorhandenen Elektronen. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3

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Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3 Chemische Bindungen Literaturquellen: Es wurde als Quellen verwendet: Übernommen aus: Nachschlagebücher für Grundlagenfächer Chemie, Schröter, Lautenschläger, VEB Fachbuchverlag Leipzig Chemie, Hans Rudolf Christen, Verlag Sauerländer Kurzes Lehrbuch der anorganischen und allgemeinen Chemie, J. Fenner und H Siegers, Springer Verlag Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 2-3