Was hält Atome zusammen? Ionen-, Atom- und Metallbindung

Warum Atome sich binden

Atome binden sich, weil sie dadurch eine stabilere Anordnung ihrer Außenelektronen erreichen, oft eine volle Außenschale wie die eines Edelgases. Nur die Außenelektronen, die Valenzelektronen, sind beteiligt, und Atome können sie abgeben, aufnehmen oder teilen. Jede Möglichkeit führt zu einer anderen Art von Bindung.

Ionenbindungen: Elektronen geben und nehmen

Eine Ionenbindung entsteht meist zwischen einem Metall und einem Nichtmetall. Das Metallatom gibt Elektronen ab und wird zu einem positiven Ion, und das Nichtmetallatom nimmt sie auf und wird zu einem negativen Ion. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich stark an, und diese Anziehung ist die Ionenbindung.

Speisesalz ist das klassische Beispiel. Ein Natriumatom gibt sein einziges Außenelektron an ein Chloratom ab, und es entstehen Na⁺ und Cl⁻. Ein Salzkristall enthält keine getrennten NaCl-Paare. Stattdessen ist jedes Na⁺ von sechs Cl⁻-Ionen umgeben und jedes Cl⁻ von sechs Na⁺-Ionen, in einem sich wiederholenden würfelförmigen Muster, dem Kristallgitter.

Ionenverbindungen sind meist harte, spröde Feststoffe mit hohen Schmelzpunkten: Salz schmilzt bei 801 °C. Als Feststoffe leiten sie keinen Strom, wohl aber geschmolzen oder in Wasser gelöst, weil die Ionen dann frei beweglich sind.

Kovalente Bindungen: Elektronen teilen

Eine kovalente Bindung entsteht meist zwischen zwei Nichtmetallatomen. Keines der Atome zieht stark genug, um dem anderen Elektronen zu entreißen, daher teilen sie stattdessen ein Elektronenpaar. Das gemeinsame Paar wird von beiden Kernen angezogen, was die Atome zusammenhält. Eine auf diese Weise verbundene Atomgruppe heißt Molekül.

In einem Wassermolekül, H₂O, teilt das Sauerstoffatom je ein Elektronenpaar mit jedem der beiden Wasserstoffatome. Sauerstoff hatte anfangs 6 Außenelektronen und hat nun 8 um sich, und jeder Wasserstoff hat nun 2, eine volle erste Schale. Atome können auch zwei Paare teilen, was eine Doppelbindung ergibt wie in O₂, oder drei Paare, was eine Dreifachbindung ergibt wie in N₂.

Viele kovalente Stoffe haben niedrige Schmelz- und Siedepunkte und sind daher bei Raumtemperatur oft Gase oder Flüssigkeiten; Wasser siedet bei 100 °C. Einige, wie Diamant, bilden riesige Netzwerke aus kovalenten Bindungen und sind extrem hart.

Metallbindungen: ein Meer aus Elektronen

In einem Metall geben die Atome ihre Außenelektronen in einen gemeinsamen Pool ab, der sich frei durch das ganze Metall bewegt. Was bleibt, ist eine regelmäßige Anordnung positiver Metall-Ionen, die von diesem „Meer“ aus Elektronen zusammengehalten werden. Die Anziehung zwischen den Ionen und den beweglichen Elektronen ist die Metallbindung.

Die freien Elektronen leiten elektrischen Strom, weshalb Kupfer für Drähte verwendet wird, und sie leiten Wärme, weshalb sich ein Metalllöffel in heißer Suppe schnell erwärmt. Weil die Bindungen nicht zwischen bestimmten Atomen festgelegt sind, können Ionenschichten aneinander vorbeigleiten, daher lassen sich Metalle biegen und zu Blechen hämmern, statt zu zerspringen.

Mit der Elektronegativität die Bindung vorhersagen

Die Elektronegativität misst, wie stark ein Atom an gemeinsamen Elektronen zieht. Um zwei Atome zu vergleichen, ziehst du den kleineren Wert vom größeren ab. Als grobe Richtschnur bedeutet ein Unterschied unter etwa 0,4, dass die Elektronen fast gleichmäßig geteilt werden (unpolare kovalente Bindung), ein Unterschied zwischen etwa 0,4 und 1,7, dass sie ungleich geteilt werden (polare kovalente Bindung), und ein Unterschied über etwa 1,7 bedeutet meist eine Ionenbindung.

Natriumchlorid: 3,16 − 0,93 = 2,23, also ist die Bindung ionisch. Wasser: Sauerstoff (3,44) und Wasserstoff (2,20) unterscheiden sich um 1,24, daher sind die O–H-Bindungen polar kovalent. Sauerstoff zieht die gemeinsamen Elektronen näher heran und trägt eine kleine negative Ladung, während die Wasserstoffatome leicht positiv sind. Chlorgas, Cl₂: 3,16 − 3,16 = 0, also werden die Elektronen völlig gleichmäßig geteilt.

Diese Grenzwerte sind grobe Richtlinien, und Lehrbücher verwenden leicht abweichende Zahlen, weil Bindung in Wirklichkeit eine gleitende Skala ist. Eine Faustregel funktioniert meistens: Metall + Nichtmetall ergibt ionisch, Nichtmetall + Nichtmetall ergibt kovalent, und Metall + Metall ergibt Metallbindungen.