Chemische Bindungen

In der Antike stellte man sich vor, dass die Atome Haken haben, mit denen sie sich verbinden können. Das kommt uns heute irgendwie lustig vor, aber bevor du lachst, kannst du so aus dem Stegreif sagen, wie und warum Moleküle zustande kommen?

Vorstellung von Bindungen zwischen Atomen in der Antike nach Epikur (341-270 v. Chr.).

Alle Kräfte zwischen Atomen haben immer einen elektrischen Ursprung. Man unterscheidet drei verschiedene Bindungsarten. So wirklich verstehen kann man diese nur mit Hilfe der Quantenmechanik. Aber wir können uns trotzdem einen recht guten Überblick verschaffen. Bei den Metall- und lonenbindungen entstehen sehr geordnete Strukturen. Anders ist das bei den Atombindungen, die den überwiegenden Anteil aller bekannten Verbindungen ausmachen. Dabei verbinden sich ausschließlich Nichtmetalle. Die Außenelektronen bilden eine gemeinsame Hülle, und die Atome teilen sich sozusagen die Elektronen geschwisterlich (Abb.).

Schematische Darstellung der Überlappung der Elektronenorbitale von zwei Wasserstoffatomen zu einem $H_2$-Molekül.

Die Frage ist aber, warum machen das die Atome? Sieh dir die folgende Abb. a an. Wenn du die Kugel in der Grube nach rechts rausrollen willst, musst du Energie aufwenden. Nach links geht's praktisch gar nicht weiter. Wenn Energie notwendig ist, damit man die Kugel rausrollen kann, bedeutet das umgekehrt, dass Energie frei wird, wenn sie reinrollte. Wenn du nicht glaubst, dass Energie frei wird, wenn die Kugel eine tiefere Lage einnimmt, dann lass sie auf deinen Fu3 fallen, dann kannst du diese freiwerdende Energie sogar spüren. Letztlich wird sie zu 100% in Wärmeenergie umgewandelt.

Zustand der minimalen $F_p$ bei einer Kugel und zwei Wasserstoffatomen. Eine Senke der potenziellen Energie nennt man übrigens allgemein einen Potenzialtopf.

Die Energie, die ein Gegenstand bekommt, wenn er gehoben oder gespannt wird, nennt man potenzielle Energie oder E . Und es gibt ein wichtiges Prinzip in der Physik, das besagt, dass sich alles so anordnet, dass die potenzielle Energie ein Minimum wird (F12). Man kann es also auch so sagen: Die Kugel rollt dort hin, wo die potenzielle Energie minimal ist, und das ist an der tiefsten Stelle. Das ist auch der Grund, warum sich Tee nicht auf der Seite der Tasse zusammenrottet, sondern am Boden, und seine Oberfläche glatt ist. Dann nämlich ist seine potenzielle Energie ein Minimum.

Mit Wasserstoffatomen zum Beispiel ist das im Prinzip genauso (Abb. oben b). Es gibt einen bestimmten Abstand der Kerne, da ist ihre potenzielle Energie ein Minimum, nämlich bei etwas unter 10~10m (0,1 nm). Treffen zwei Wasserstoffatome aufeinander, dann ergibt sich dieser Abstand automatisch, so wie auch die Kugel automatisch an der tiefsten Stelle liegen bleibt. Um den Abstand zu vergrößern oder zu verkleinern, ist Energie nötig. Wenn also keine Energie von außen kommt, dann bleiben die Atomkerne in diesem Abstand und bilden somit ein H2-Molekül. Das Prinzip der niedrigsten potenziellen Energie gilt übrigens auch für die beiden anderen Bindungsarten .

Das interessanteste Element für die Atombindung ist der Kohlenstoff, weil er als einziges Element sehr lange Moleküle bilden kann, die Makromoleküle. Wie lange können diese sein? Seeehr lang! Jeder Mensch besitzt in jeder Zelle 46 Chromosomen, und in diesen befindet sich das komplexeste Makromolekül des Sonnensystems, nämlich die DNS (Desoxyribonukleinsäure). Sie ist ein Makromolekül, das den gesamten Bauplan des Menschen enthält. Und sie besteht aus nur fünf Elementen (Abb. 3.22)! Die Art und Weise, wie diese scheinbar läppischen fünf Elemente angeordnet sind, bestimmt also, ob deine Haare blond sind oder nicht, ob du Sommersprossen bekommst und welche Schuhgröße du hast!

Ausschnitt aus einem DNS-Molekül: Sauerstoff (rot), Phosphor (gelb), Stickstoff (blau) und Kohlenstoff (lila). Der Wasserstoff ist nicht abgebildet, weil dann die Darstellung zu unübersichtlich wäre.

DNS-Moleküle haben eine Länge von einigen Zentimetern! Würdest du die DNS-Fäden von einer einzigen Zelle (also von allen 46 Chromosomen) aufdröseln und hintereinander legen, dann wären sie in Summe fast 2m lang (F11)!