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Theorie: Chemische Bindungen

Chemische Bindungen

Atomen bzw. Ionen bilden zusammengesetzte Teilchen (Moleküle) und weiter Kristalle. Es stellt sich die Frage, welche Kräfte hält die einzelnen Bausteine der Stoffe zusammen. Es kann gesagt werden:
Die chemische Bindung und damit auch der Zusammenhalt eines Festkörpers werden praktisch allein durch elektrische Anziehungskräfte zwischen den Atomen bzw. Ionen bewirkt. Andere Ursachen für eine Bindung, z.B. magnetische Kräfte, spielen eine äußerst geringe Rolle. Die Art und Weise, wie die anziehenden Kräfte im einzelnen zustandekommen, ist jedoch unterschiedlich: es gibt mehrere Arten der chemischen Bindung

IONENBINDUNG

Besonders leicht ist die Bindung zwischen Ionen mit Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens, die Zonenbindung, zu verstehen.
Wird ein Na+- und ein Cl -Ion betrachtet, dann haben Beide eine Edelgaskonfiguration und die durch die Hüllenelektronen verursachte Ladung ist kugelsymmetrisch um den jeweiligen Atomkern verteilt.
Man kann die Ionen daher, sofern sie weit genug von einander entfernt sind (d.h. wenn sich ihre Elektronenhüllen noch nicht durchdringen), als homogen geladene Kugeln mit den Gesamtladungen +e bzw. -e auffassen.
Das elektrostatische Potential W des Na+-Ions im Abstand r vom Atomkern entspricht dem elektrostatischen Feld einer Punktladung.
Da die Ionen kugelsymmetrisch sind, gibt es bei der Ionenbindung keine bevorzugte Richtung für die Kristallbindung, in der die Bindungskräfte besonders stark wären. Es gibt keine definierten "Bindungswinkel", wie z.B. beim Wassermolekül, die eine strukturierte Kristallbildung, wie bei den Metallen veranlassen würde.
Ionenbindungen bilden Ionenkristalle.
(Kristallstrukturen werden beim Aufbau fester Stoffe beschrieben.)
Alkalihalogenid­Kristalle (z.B. NaCl, LiF)sind besonders gute Beispiele. Die Ionenbindung herrscht bei den anorganischen Verbindungen und Mineralien vor. Insbesondere die Bindung der Oxiden hat überwiegend ionischen Charakter.
In Ionenkristalle sind die anziehenden Kräfte zwischen den Ionen kugelsymmetrisch, d.h. es wird keine Richtung für die chemische Bindung bevorzugt. Ein Kristall mit Ionenbindung kann so aufgebaut werden, dass die anziehenden Kräfte zwischen ungleichnamigen Ladungen möglichst stark gegenüber den Abstoßkräften zwischen den gleichnamigen Ladungen überwiegen.
Weitere Nebenbedingungen ("Zwänge") durch die Art der Bindung treten nicht auf. Das führt dazu, daß Ionenkristalle sehr oft eine hohe Packungsdichte haben.
Einen typischen Ionenkristall kann man sich in sehr guter Näherung als eine regelmäßige Anordnung dicht gepackter Ionen vorstellen. Messungen zeigen, dass die Elektronenladung im Kristall fast genau so kugelsymmetrisch um die Atomkerne verteilt ist, wie bei freien Ionen. Zwischen den Ionen, weit ab von den Atomkernen, ist die Elektronenladungsdichte relativ gering.

Was ist zu erwarten, wenn ein elektrisches Feld an einen Ionenkristall angelegt wird?
Wegen der elektrostatischen Kräfte im Feld werden sich die positiven Ladungen zur einen, die negativen Ladungen zur entgegengesetzten Richtung verschieben. Diese Wirkung des Elektrischen Feldes auf Werkstoffe das z.B. in Kondensatoren auftritt wird "Dielektrischen Werkstoffen" zugesprochen. Die Ladungen können jedoch nicht im Feld wandern, wie sie es in einem Leiter tun , denn die Bindungskräfte halten sie bis auf die erwähnte geringfügige Verschiebung an ihrem Platz im Kristall fest. Ein stationärer elektrischer Stromfluss wird nicht beobachtet; es gibt keine elektrische Leitfähigkeit. Hier muss angemerkt werden, dass, wenn die Feldstärke sehr groß sind, schlagartig ein elektrischer Stromfluss auftreten kann, der einen elektrischen Durchschlag bewirkt.

Die Isolatorcharakteristik ist streng richtig in der Nähe des absoluten Nullpunkts der Temperatur (T = O K) Bei T > O K sorgt die Wärmebewegung des Kristallgitters dafür, dass immer eine gewisse Anzahl von Ionen aus ihren Bindungen befreit ist und somit im elektrischen Feld wandern kann. Mit steigender Temperatur nimmt also die elektrische Leitfähigkeit eines Ionenkristalls zu; zahlenmäßig bleibt die Leitfähigkeit aber weit geringer als die eines Metalls.

Zusammenfassung:

  • Bei der Ionenbindung geht ein Elektron (oder mehrere) auf Dauer von einem Atom zu einem anderen über.
  • Die Bindung wird durch die kugelsymmetrische elektrostatische Anziehung zwischen den Ionen bewirkt.
  • Ionenkristalle haben Strukturen hoher Packungsdichte.
  • Es gibt keine bevorzugten Richtungen der Bindung.
  • Ionenkristalle haben eine geringe elektrische Leitfähigkeit, bei T = O K sind sie ideale Isolatoren.