Chemische Bindungen: Kovalente, Valenz- und Metallbindung einfach erklärt

Chemische Bindungen und Materialeigenschaften

Die Dichte ist in der Regel hoch, vor allem bei Übergangsmetallen, was auf ihre kompakten Strukturen zurückzuführen ist. Hohe Atomdichten, zusammen mit dem minimalen Abstand zwischen den Atomen, führen zu einer hohen Intensität.

Kovalente Bindung

Die kovalente Bindung ist die Vereinigung von zwei Atomen durch ein oder mehrere Elektronenpaare. Nach dieser Theorie ist die Kovalenz oder kovalente Wertigkeit eines Elements seine Fähigkeit, kovalente Bindungen zu bilden. So zeigt Sauerstoff in Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) eine Kovalenz von 2, da es zwei kovalente Bindungen ausbildet. Die Bindungselektronenpaare und freien Elektronenpaare, die das zentrale Atom umgeben, sind so ausgerichtet, dass der Abstand zwischen ihnen maximal ist, um die Abstoßungen zwischen ihnen zu minimieren, sobald sich der Kern nähert. Diese angenommene Ausrichtung bestimmt die molekulare Geometrie. Die abstoßenden Kräfte zwischen freien Elektronenpaaren sind größer als die zwischen zwei bindenden Paaren, und diese wiederum sind höher als die zwischen einem einzelnen bindenden Paar.

Valenzbindungstheorie

Eine kovalente Bindung entsteht durch die Überlappung von zwei Orbitalen verschiedener Atome, die jeweils ein Elektron mit antiparallelem Spin enthalten. Je größer diese Überlappung, desto größer ist die Bindungskraft. Die restlichen Atomorbitale, die nicht an der Bindung beteiligt sind, bleiben unverändert. Die Kopplung von zwei Elektronen in einem gemeinsamen Orbital bildet eine Einfachbindung, während bei Doppel- und Dreifachbindungen 2 bzw. 3 Elektronenpaare beteiligt sind. Die kovalente Wertigkeit eines Elements ist die Anzahl der kovalenten Bindungen, die es bilden kann, und hängt von der Anzahl der ungepaarten Elektronen ab.

Intermolekulare Kräfte

Dipol-Dipol-Kräfte

Dies sind Anziehungskräfte, die in polaren Molekülen auftreten. Der Dipol eines Moleküls orientiert sich an den Dipolen benachbarter Moleküle (polar-polar).

Dipol-Induzierter Dipol-Kräfte

Polarisierte Moleküle oder Moleküle in der Nähe unpolarer neutraler Atome können eine solche Ladungsverschiebung verursachen, wodurch induzierte Dipole entstehen. Zwischen dem permanenten und dem induzierten Dipol besteht eine schwache Anziehungskraft (polar-unpolar).

Dispersionskräfte (London-Kräfte)

Die Existenz dieser Kräfte wird dadurch erklärt, dass ein unpolares Molekül zu einem bestimmten Zeitpunkt eine leichte, momentane Verschiebung der Elektronenladung erfährt, wodurch ein momentaner Dipol entsteht. Dieser kann ein benachbartes Molekül polarisieren und einen induzierten Dipol bilden (unpolar-unpolar).

Metallische Bindung

Die metallische Bindung ist die Kraft, die für die Stabilität und die Eigenschaften der Metallgitter verantwortlich ist.

Elektronenwolkenmodell

Das Gitter besteht aus Metallionen (Atome, die ihre Valenzelektronen abgegeben haben). Diese Elektronen sind im gesamten Kristall delokalisiert und besitzen Bewegungsfreiheit durch die Zwischenräume, wodurch die sogenannte Elektronenwolke entsteht. Die Stabilität des Kristallgitters beruht auf der Wechselwirkung zwischen den Metallionen und der Wolke der delokalisierten Elektronen.

Eigenschaften von Metallen

• Schmelz- und Siedepunkte: In der Regel hoch, besonders hoch bei Übergangsmetallen und relativ niedrig bei Alkalimetallen.
• Hohe elektrische Leitfähigkeit im festen Zustand, weshalb sie als Leiter erster Art bezeichnet werden. Dies ist auf die Mobilität ihrer Valenzelektronen zurückzuführen.
• Hohe Wärmeleitfähigkeit.
• Sie lösen sich gegenseitig unter Bildung von geschmolzenen Legierungen (Lösungen zwischen fest und fest).
• Gute mechanische Eigenschaften wie Zähigkeit, Duktilität und Festigkeit, sowohl bei reinen Metallen als auch bei deren Legierungen. Diese Eigenschaften ermöglichen vielfältige technische Anwendungen.