Die chemische Bindung

Warum sind manche Stoffe fest und andere gasförmig oder flüssig? Weshalb zeigen manche Stoffe ein Farbigkeit, während andere farblos erscheinen? Warum reagieren bestimmte Stoffe miteinander und andere kann man zusammen lagern, ohne dass Interaktionen geschehen? Wasser ist ein gutes Lösungsmittel, aber nicht für alle Stoffe. Wieso?
Die Antworten auf diese Fragen kann man mit chemischen Bindung erklären, die den beteiligten Teilchen zu Grunde liegt! Sie bestimmt das chemische Verhalten, stoffliche Zustände und die äußere Erscheinung der Stoffe.

Chemische Bindungen beruhen auf der Annäherung von Atomen. Die dabei gewonnene Nähe führt zur unmittelbaren Anziehung von unterschiedlichen Ladungen. Kerne ziehen Elektronen anderer Atome ebenso an, wie ihre eigenen Elektronen. Die Außenelektronen fremder Atome sind dabei am meisten beeinflussbar.

Nach der Annäherung kommt es zur Durchdringung der Atomhüllen und damit zur Ausbildung von gemeinsamen Bereichen. Dort gibt es keine Zugehörigkeit von Elektronen zu ihrem Kern mehr. Die Elektronen – immer zwei – werden nun gemeinschaftlich genutzt. Es bilden sich gemeinsame „Elektronenpaare“ aus. Es entsteht die Elektronenpaarbindung oder Atombindung.

Nähern sich zwei Partner mit unterschiedlichen Anziehungskräften (EN -Werten), so entsteht eine polare Atombindung. Hier werden die Elektronen des schwächeren Partners (kleinerer EN Wert) stärker vereinnahmt und es entstehen Moleküle mit nach außen wirkenden Ladungsbereichen. Dies hat auf Löslichkeiten und den Aggregatzustand Auswirkungen.

Bei zu hoher Anziehungskraft eines Partners – Elektronegativität – können die Außenelektronen auch vollständig in die Hülle des stärkeren Atoms wechseln. Es entsteht dann Ionen. Diese Bindungsart nennt man Ionenbeziehung.
Unterscheiden sich zwei Atomarten in ihrer Elektronegativität (EN) um 1,7 oder mehr, so ist die Ionenbildung sehr wahrscheinlich. Bei Natrium (EN= 0,9) und Chlor (EN=3,0) beträgt der Unterschied 2,1. Wir kennen die Verbindung von Natrium und Chlor als Natriumchlorid, dem Kochsalz.

Weitere Bindungsanalysen

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Stickstoff -Hauptbestandteil der Luft

Bild von Arek Socha auf Pixabay

Stickstoff hatte schon viele Namen wie zum Beispiel „schlechte Luft“. Es hieß früher auch „Azot“, „Azotum“, „Stickgas“ oder „Zoogenium“. Das Symbol „N“ bezieht sich auf den lateinischen Namen „Nitrogenium“. Dies ist von „Herkunft des Laugensalzes“ abgeleitet.

Sein elementares Vorkommen in der Luft wurde 1771 von Carl Wilhelm Scheele nachgewiesen. Dort bildet es bei Raumtemperatur ein Gas aus zweiatomigen Molekülen \( (N_2) \). Aus diesem Gas besteht die Luft zu 78%.

Stickstoff kommt in der Natur in den Strukturen von Eiweißen und dem Salz Salpeter vor. Salpeter war bis in das beginnende 20. Jahrhundert die Hauptquelle zur Herstellung von Stickstoffverbindungen. Die stickstoffhaltigen Salze werden von den Menschen schon seit Jahrtausenden genutzt und hergestellt. Diese Nitrate und Ammoniumsalze finden sich in der Erdkruste, sind aber auch aus tierischen Exkrementen herstellbar. Schon im antiken Ägypten stellte man sie aus Kameldung oder dem Boden von Ställen her. In Südamerika erfolgt die Herstellung bis heute aus über Jahrhunderte abgelagerten Vogelkot (Guano).
So stehen uns die Stickstoffverbindungen über diese Salze und Naturstoffe zur Verfügung. Ammoniak, Salpetersäure und Stickstoff-Düngemittel sind die wichtigsten Produkte aus Stickstoff. Das 1913 erfundene Verfahren zur Ammoniakherstellung erlangte als Haber-Bosch-Verfahren Weltruhm.

Experimente mit Stickstoff

Anwendung : flüssiger Stickstoff hilft bei der Reparatur von Rohrleitungen

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Sauerstoff – Oxygenium

Bild von Arek Socha auf Pixabay

Nach dem Sauerstoff wurde lange Zeit in der Chemie gesucht und geforscht. „Phlogiston“ hieß der Stoff, dem man zutraute, für die Brände, die immer wieder ausbrachen verantwortlich zu sein, zweifellos eine Substanz der Götter. Viele berühmte Wissenschaftler der der noch jungen Chemie suchten bis ins Jahr 1777 nach einer Erklärung für dieses bis dahin himmlischen Phänomen.
Carl Wilhelm Scheele, ein Apotheker aus Stralsund, suchte 1771 bis 1773 in verschiedenen Experimenten nach dem Stoff. Er publizierte in seinem Buch „Abhandlungen von der Luft und dem Feuer“ seine Erkenntnisse über „Feuerluft“ und „schlechte Luft“.
Er konnte durch Erhitzen von Braunstein – Manganoxid, wie wir heut wissen – ein Gas erzeugen, welches die Verbrennung verstärkt. Auch der Kristall Kaliumpermanganat (bekannt seit 1659, Glauber)zeigte dieses Verhalten.

Viele chemische Verbindungen…

enthalten Sauerstoff, der so durch chemische Reaktionen verfügbar wird. Im Chemieunterricht stellen wir Sauerstoff durch die Zerlegung von Wasserstoffperoxid \(H_2 O_2\)oder die thermische Zersetzung von Kaliumpermanganat \(KMnO_4\)her.
Da wir den Sauerstoff jedoch technisch in großen Mengen brauchen, nutzen wir das Verfahren der Luftverflüssigung nach Linde.

Herstellung und Nachweis:

Hier wird das violette Salz Kaliumpermanganat \(KMnO_4\) erwärmt. Dabei wird der Kristall instabil und Sauerstoffatome verlassen das Salz. Es wird zersetzt. Das sieht man auch an der Farbänderung des Salzes nach dem Experiment. Der entstehende freie Sauerstoff wird pneumatisch aufgefangen.

Die Glimmspanprobe ist die Nachweismethode für das brandfördernde Gas Sauerstoff. Dabei wird ein glimmender Holzspan in ein Gefäß (hier ein Reagenzglas) getaucht. Ist Sauerstoff enthalten, so flammt der Span auf. Aus dem Glimmen wird eine Flamme.
Andere Gase zeigen diesen Effekt bezüglich eines Glimmspans nicht.

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Die Nichtmetalle

Betrachten wir die „andere“ Seite des PSE. Hier finden wir die Elemente „rechts“ der Bor-Astat-Linie.
Die Nichtmetalle sind Atomarten, die Elementsubstanzen aufbauen, die immer etwas nichtmetallisches an sich haben. So sind einige gasförmig bei Raumtemperatur oder sie leiten keinen elektrischen Strom, glänzen nicht oder sind schlechte Wärmeleiter. Irgendwas fehlt immer …

Nichts desto trotz finden wir hier wichtige Bausteine unserer Natur und die häufigsten Atomarten (Elemente) dazu!

Beitrag: Kohlenstoff

Beitrag: Schwefel

Beitrag: Wasserstoff

Beitrag: Sauerstoff

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