2.10: Kovalente Bindungen

Überblick

Wenn sich zwei Atome Elektronen teilen, um ihre Valenzschalen aufzufüllen, entsteht eine kovalente Bindung. Die Elektronegativität ist die Kraft, mit der die geteilten Elektronen zu einem Atom gezogen werden und bestimmt somit wie die Elektronen aufgeteilt werden. Moleküle, die durch kovalente Bindungen gebildet werden, sind entweder polar oder unpolar. Atome mit ähnlichen Elektronegativitäten bilden unpolare kovalente Bindungen und die Elektronen werden gleichmäßig verteilt. Atome mit unterschiedlichen Elektronegativitäten teilen sich die Elektronen ungleichmäßig, wodurch polare Bindungen entstehen.

Eine kovalente Bindung wird durch zwei geteilte Elektronen gebildet

Die Anzahl der kovalenten Bindungen die ein Atom bilden kann, hängt von der Anzahl seiner Valenzelektronen ab. Sauerstoff, zum Beispiel, hat sechs von acht möglichen Valenzelektronen, das heißt, dass jedes Sauerstoffatom zwei weitere Elektronen benötigt, um einen stabilen Zustand zu erreichen. Sauerstoff kann Einfachbindungen mit zwei anderen Atomen bilden, wie zum Beispiel wenn es Wasser bildet durch die Bindung mit zwei Wasserstoffatomen (chemische Formel H₂O). Sauerstoff kann auch eine Doppelbindung mit nur einem anderen Atom eingehen, wenn dieses ebenfalls zwei weitere Elektronen zur Vervollständigung seines Oktetts benötigt (z.B. ein weiteres Sauerstoffatom). Kohlenstoff hat vier Valenzelektronen und kann daher vier kovalente Bindungen bilden, wie zum Beispiel im Methan (CH₄).

Bei einer kovalenten Bindung teilen sich beide Atome ein Elektronenpaar in einem Hybridorbital. Dieses unterscheidet sich in seiner Form von einem normalen Orbital. Die an der Bindung beteiligten Elektronen umkreisen beide Atomkerne auf einer anderen Laufbahn. Kovalente Bindungen sind stark und können nach ihrer Bildung nicht durch physikalische Kräfte aufgebrochen werden.

Die Elektronegativität bestimmt, ob ein Molekül polar oder unpolar ist

Die Elektronegativität ist die Neigung eines Atoms, Elektronen in einer Bindung anzuziehen. Das Atom mit der höchsten Elektronegativität ist Fluor. Ausgehend vom Fluor in der rechten oberen Ecke des Periodensystems (unter Auslassung der Edelgase in der rechten Spalte), nimmt die Elektronegativität der Atome bei diagonaler Bewegung nach links im Periodensystem ab. Die Atome mit der niedrigsten Elektronegativitäten befinden sich also in der linken unteren Ecke (z.B. Francium bzw. Fr). Wenn Atome sehr unterschiedliche Elektronegativitäten haben, werden sie wahrscheinlich Ionen bilden anstatt von kovalenten Bindungen. Bei Atomen, die kovalente Bindungen miteinander bilden, bestimmen die jeweiligen Werte der Elektronegativität jedoch, ob die Bindung polar oder unpolar ist.

Bei einer unpolaren Bindung sind die Elektronen gleichmäßig verteilt. Somit gibt es keine Ladung im Molekül. Eine polare Bindung hingegen entsteht, wenn ein Atom eine höhere Elektronennegativität als ein anderes aufweist und die Elektronen zu sich zieht. Polare Bindungen haben auf der einen Seite eine teilweise negative und auf der anderen Seite eine teilweise positive Ladung. Das ist wichtig, denn dadurch verhalten sich polare Moleküle anders als unpolare.

Polare Moleküle sind hydrophil, weil sie durch ihre Teilladungen von anderen geladenen Molekülen angezogen werden. Das bedeutet, dass sie auch in Wasser löslich sind. Unpolaren Molekülen, also solchen, die lange Ketten von Kohlenwasserstoffen enthalten, wie z.B. Fetten, sind tendenziell hydrophob. Im Gegensatz zu polaren Molekülen lösen sich unpolare Moleküle nicht in Wasser auf. Zellen sind oft von Flüssigkeit umgeben und haben Zytoplasmen die Wasser enthalten. Daher bestimmt die Art und Weise, wie ein Molekül mit Wasser und anderen geladenen Molekülen interagiert, wie es von Zellen transportiert und genutzt wird.

Es entsteht eine kovalente Bindung, wenn zwei Atome Valenzelektronen teilen, die jede ihrer Außenhüllen vervollständigen, um ein neues, stabiles Molekül mit einer Einfachbindung zu kreieren. Die Anzahl der kovalenten Bindungen kann sich erhöhen, je nachdem wie viele Elektronen geteilt werden. Zum Beispiel, wenn zwei Sauerstoff Atome, jedes mit sechs Valenzelektronen, zwei Paare der Elektronen teilen, entsteht ein Doppelbund.

Die Bünde sind unpolar kovalent, weil die Elektronen zwischen den Atomen geteilt werden. Sie haben dieselbe Affinität für die Elektronen innerhalb des kovalenten Bundes. Das heißt, die Atome haben dieselbe Elektronennegativität.

Je stärker ein Atom das Elektron anzieht, innerhalb des kovalenten Bundes, desto elektronegativer wird das Atom. Wenn zwei verschiedene Elemente dieselbe Elektronegativität aufweisen wie Kohlenstoff und Wasserstoff, werden die Elektronen geteilt, auch in einer unpolaren, kovalenten Bindung. Aber wenn zwei verschiedene Elemente mit verschiedenen Elektronegativitäten gebunden werden, haben diese ungleichen Verteilungen von Elektronen, eine polare, kovalente Bindung.

Zum Beispiel hat Wasser ein starkes Sauerstoff- und zwei schwache Wasserstoff-Atome. Das Sauerstoffatom enthält die meiste Zeit alle negativ geladenen Elektronen und gibt ihnen eine teilweise Negativladung. In dieser Situation bleiben alle Wasserstoffe teilweise positiv geladen, somit ensteht eine polare Verbindung.