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2.10: Kovalente Bindungen
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Covalent Bonds
 
PROTOKOLLE

2.10: Covalent Bonds

2.10: Kovalente Bindungen

Overview

When two atoms share electrons to complete their valence shells they create a covalent bond. An atom’s electronegativity—the force with which shared electrons are pulled towards an atom—determines how the electrons are shared. Molecules formed with covalent bonds can be either polar or nonpolar. Atoms with similar electronegativities form nonpolar covalent bonds; the electrons are shared equally. Atoms with different electronegativities share electrons unequally, creating polar bonds.

A Covalent Bond Is Formed by Two Shared Electrons

The number of covalent bonds that an atom can form is dictated by how many valence electrons it has. Oxygen, for example, has six out of eight possible valence electrons, meaning that each oxygen atom needs two more electrons to become stable. Oxygen can form single bonds with two other atoms, as it does when it forms water with two hydrogen atoms (chemical formula H2O). Oxygen can also form a double bond with just one other atom that also needs two more electrons to complete its octet (e.g., another oxygen atom). Carbon has four valence electrons and therefore can form four covalent bonds, as it does in methane (CH4).

When a covalent bond is made, both atoms share a pair of electrons in a hybrid orbital that differs in shape from a normal orbital. The electrons participating in the bond thus orbit in a modified path around the nuclei of both atoms. Covalent bonds are strong and, once formed, cannot be broken by physical forces.

Electronegativity Determines Whether a Molecule Is Polar or Nonpolar

Electronegativity is the tendency of an atom to attract electrons in a bond. The most electronegative atom is fluorine. Starting with fluorine at the top right corner of the periodic table (omitting the noble gases in the rightmost column), the electronegativity of atoms tends to decrease with diagonal leftward movement down the periodic table, such that atoms with the lowest electronegativities are at the bottom left corner (e.g., francium, or Fr). If atoms have extremely different electronegativities, they will likely form ions instead of covalent bonds. However, for atoms that form covalent bonds with one another, their electronegativity values determine whether the bond will be polar or nonpolar.

A nonpolar bond is one in which the electrons are shared equally, and there is no charge across the molecule. A polar bond, by contrast, occurs when one atom is more electronegative than another and pulls the electrons toward it. Polar bonds have a partial negative charge on one side and a partial positive charge on the other, which is important because it causes polar molecules to behave differently than nonpolar ones.

Polar molecules are hydrophilic because their partial charges attract them to other charged molecules, which also means they are soluble in water. Nonpolar molecules—those containing long stretches of hydrocarbons, such as fats—are said to be hydrophobic. Unlike polar molecules, nonpolar molecules will not dissolve in water. Cells are often surrounded by fluid and have cytoplasms that contain water. Thus, the way a molecule interacts with water and other charged molecules impact how it is transported and used by cells.

Überblick

Wenn sich zwei Atome Elektronen teilen, um ihre Valenzschalen zu komplettieren, gehen sie eine kovalente Bindung ein. Die Elektronegativität ist die Kraft, mit der die geteilten Elektronen zu einem Atom gezogen werden. Sie bestimmt, wie die Elektronen unter den Atomen aufgeteilt werden. Moleküle, die über kovalente Bindungen gebildet werden, sind entweder polar oder unpola. Atome mit ähnlichen Elektronegativitäten bilden unpolare kovalente Bindungen aus. Die Elektronen werden hier gleichmäßig aufgeteilt. Atome mit unterschiedlichen Elektronegativitäten teilen sich die Elektronen ungleichmäßig, wodurch polare Bindungen entstehen.

Eine kovalente Bindung wird durch zwei geteilte Elektronen geformt

Die Anzahl der möglichen kovalenten Bindungen, wird davon bestimmt, wie viele Valenzelektronen ein Atom hat. Sauerstoff trägt zum Beispiel sechs von acht möglichen Valenzelektronen. Jedes Sauerstoffatom benötigt also zwei weitere Elektronen, um einen stabilen Zustand zu erreichen. Sauerstoff kann mit zwei anderen Atomen Einfachbindungen eingehen. Das passiert auch bei der Bildung von Wasser 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 (CH4). Ein Beispiel hierfür wäre Methan.

Bei einer kovalenten Bindung teilen sich beide Atome ein Elektronenpaar in einem Hybridorbit. Dieser unterscheidet sich in seiner Form von einem normalen Orbital. Die an der Bindung beteiligten Elektronen umkreisen also auf einer modifizierten Bahn die Kerne beider Atome. 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 extrem unterschiedliche Elektronegativitäten haben, werden sie wahrscheinlich Ionen anstelle von kovalenten Bindungen bilden. 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 an 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 an andere geladene Moleküle 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. Entsprechende Zellen sind oft von Flüssigkeit umgeben und haben Zytoplasmen, die Wasser speichern. Die Art und Weise, wie ein Molekül mit Wasser und anderen geladenen Molekülen interagiert, hat also Einfluss darauf, wie es von den Zellen transportiert und genutzt wird.

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