3.4: Klassifizierung von Elementen und Verbindungen

Reinstoffe bestehen nur aus einer Stoffart. Eine reine Substanz kann ein Element oder eine Verbindung sein. Ein Element besteht nur aus einer Atomart, während eine Verbindung aus zwei oder mehr Atomarten besteht, die durch eine chemische Bindung zusammengehalten werden. Elemente werden aufgrund der Art ihrer Grundeinheiten in atomare oder molekulare Elemente eingeteilt.

Verbindungen sind reine Stoffe, die aus zwei oder mehr Elementen in festen, bestimmten Verhältnissen bestehen. Verbindungen werden anhand der in ihnen vorhandenen Bindungen in ionische oder molekulare (kovalente) Verbindungen eingeteilt.

Molekulare Verbindungen

Molekülverbindungen (oder kovalente Verbindungen) entstehen, wenn zwei oder mehr verschiedene Nichtmetallatome Elektronen teilen, um kovalente Bindungen zu bilden. Die Grundeinheiten molekularer Verbindungen sind diskrete neutrale Moleküle, die aus verschiedenen Atombestandteilen bestehen. Beispielsweise besteht die Molekülverbindung Kohlenmonoxid aus CO-Molekülen, die kovalent gebundene Kohlenstoff- und Sauerstoffatome enthalten. Ebenso enthält Methanol CH₃OH-Moleküle als Grundeinheiten, die aus einem Kohlenstoffatom, einem Sauerstoffatom und vier Wasserstoffatomen bestehen, die alle kovalent verbunden sind. 

Molekulare Verbindungen können anhand ihrer physikalischen Eigenschaften identifiziert werden. Unter normalen Bedingungen liegen molekulare Verbindungen oft als Gase, niedrig siedende Flüssigkeiten und niedrig schmelzende Feststoffe vor, obwohl es Ausnahmen gibt. 

Ionische Verbindungen

Wenn ein Element, das aus Atomen besteht, die leicht Elektronen verlieren (ein Metall), mit einem Element reagiert, das aus Atomen besteht, die leicht Elektronen aufnehmen (ein Nichtmetall), kommt es normalerweise zu einer Übertragung von Elektronen, wodurch Ionen entstehen. Die durch diese Übertragung gebildete Verbindung wird durch die elektrostatische Anziehung (ionische Bindungen) zwischen den in der Verbindung vorhandenen Ionen entgegengesetzter Ladung stabilisiert. Wenn beispielsweise jedes Natriumatom in einer Probe aus Natriummetall (Gruppe 1) ein Elektron abgibt, um ein Natriumkation, Na⁺, zu bilden, und jedes Chloratom in einer Probe aus Chlorgas (Gruppe 17) ein Elektron aufnimmt, um ein Chlorid zu bilden Anion, Cl⁻, die resultierende Verbindung, NaCl, besteht aus Natriumionen und Chloridionen im Verhältnis von einem Na^+-Ion für jedes Cl⁻-Ion. 

Eine Verbindung, die Ionen enthält und durch Ionenbindungen zusammengehalten wird, wird als ionische Verbindung bezeichnet. Ionische Verbindungen sind Feststoffe, die typischerweise bei hohen Temperaturen schmelzen und bei noch höheren Temperaturen sieden. In fester Form ist eine ionische Verbindung nicht elektrisch leitend, da ihre Ionen nicht fließen können. Im geschmolzenen Zustand kann sie jedoch Elektrizität leiten, da sich ihre Ionen frei durch die Flüssigkeit bewegen können. 

In jeder ionischen Verbindung ist die Gesamtzahl der positiven Ladungen der Kationen gleich der Gesamtzahl der negativen Ladungen der Anionen. Somit sind ionische Verbindungen insgesamt elektrisch neutral, obwohl sie positive und negative Ionen enthalten. 

Viele ionische Verbindungen enthalten mehratomige Ionen als Kation, Anion oder beides. Wie einfache ionische Verbindungen müssen auch diese Verbindungen elektrisch neutral sein, sodass ihre Formeln vorhergesagt werden können, indem die mehratomigen Ionen als diskrete Einheiten behandelt werden. Wir verwenden Klammern in einer Formel, um eine Gruppe von Atomen anzugeben, die sich wie eine Einheit verhalten. Beispielsweise lautet die Formel für Calciumphosphat, eines der Mineralien in unseren Knochen, Ca₃(PO₄)₂. Diese Formel gibt an, dass auf zwei Phosphatgruppen (PO₄)³⁻ drei Calciumionen (Ca²⁺) kommen. Die (PO₄)³⁻ Gruppen sind diskrete Einheiten, die jeweils aus einem Phosphoratom und vier Sauerstoffatomen bestehen und eine Gesamtladung von 3− haben. Die Verbindung ist elektrisch neutral und ihre Formel zeigt eine Gesamtzahl von drei Ca-, zwei P- und acht O-Atomen.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 2.6: Molecular and Ionic Compounds.

In der Natur kommen reine Stoffe entweder als Elemente oder als Verbindungen vor. Abhängig von der Grundeinheit existieren Elemente entweder in atomarer oder molekularer Form, während Verbindungen entweder als molekular oder ionisch unterteilt werden können. Atomare Elemente haben einzelne Atome als ihre Grundeinheiten.

Helium, Gold und Eisen sind Beispiele für monoatomare Elemente, die als stabile einzelne Atome existieren können. Molekulare Elemente hingegen enthalten zwei oder mehr miteinander verbundene Atome, die als Grundeinheit ein Molekül bilden. Zweiatomiger Wasserstoff mit zwei Wasserstoffatomen und mehratomiger Schwefel mit acht Schwefelatomen sind Beispiele für molekulare Elemente.

Im Vergleich zu molekularen Elementen entstehen molekulare Verbindungen, wenn sich Atome von zwei oder mehr nichtmetallischen Elementen verbinden, indem sie sich die Valenzelektronen durch kovalente Bindungen teilen. Die Kombination senkt die gesamte potentielle Energie des Systems und treibt dadurch die Bildung eines stabilen Moleküls voran. Daher sind die Grundeinheiten einer molekularen Verbindung definierte Moleküle, die aus verschiedenen Atomen bestehen.

Ethanol ist eine molekulare Verbindung, die Grundeinheiten aus verschiedenen Ethanol Molekülen enthält, die aus zwei Kohlenstoff-sechs Wasserstoff-und einem Sauerstoffatom bestehen. Ionische Verbindungen entstehen, wenn sich Atome von metallischen Elementen mit Atomen eines oder mehrerer nichtmetallischer Elemente verbinden. Die Metallatome verlieren leicht ihre Valenzelektronen und bilden positiv geladene Kationen, während die Nichtmetallatome Elektronen gewinnen und negativ geladene Anionen bilden.

Starke elektrostatische Anziehungskräfte oder ionische Bindungen werden zwischen den entgegengesetzt geladenen Ionen gebildet, wodurch die Gesamtenergie des Systems gesenkt und der Aufbau stabiler, geordneter, dreidimensionaler Ionengitterstrukturen vorangetrieben wird. Die kleinste Anordnung von Ionen, die elektrisch neutrale Grundeinheiten einer ionischen Verbindung bilden, wird als Formeleinheit bezeichnet. Tafelsalz ist eine ionische Verbindung mit der Formeleinheit NaCl, die eine abwechselnde dreidimensionale Anordnung von Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen enthält.

Viele ionische Verbindungen sind jedoch aus Ionen zusammengesetzt, die nicht singulär sind, wie Natrium-oder Chlorid-Ionen, sondern aus mehreren kovalent gebundenen Atomen mit einer negativen oder positiven Nettoladung bestehen so genannte polyatomare Ionen. Zum Beispiel besteht Natriumacetat aus positiv geladenen Natrium-Ionen und mehratomigen Acetat-Ionen, die eine negative Nettoladung tragen.