Haben Sie sich jemals gefragt, was das Universum zusammenhält? Hier ist ein Hinweis: Es ist kein Glas mit kosmischem Sekundenkleber in Industriegröße. Nein, das Geheimnis, die Dinge zusammenzuhalten, ist ein chemischer Bindungsprozess, der als valente Bindung bekannt ist – bei dem sich die Elektronen in den äußeren Hüllen von Atomen miteinander verbinden, um Moleküle zu bilden. Kovalente Bindungen gehören zu den stärksten Bindungen im Universum.
Der Vater der kovalenten Bindungen - Irving Langmuir
Das Prinzip der Kovalenz wurde 1919 in die Welt der chemischen Wissenschaften eingeführt. Der spätere Nobelpreisträger Irving Langmuir prägte den Begriff, um die molekularen Bindungen zu beschreiben, die durch Elektronen in der äußersten Schale oder Valenz von Atomen gebildet werden. Der Begriff „kovalente Bindung“ wurde erstmals 1939 verwendet.
Der amerikanische Chemiker Irving Langmuir wurde am 31. Januar 1881 in Brooklyn, New York, als dritter von vier Söhnen von Charles Langmuir und Sadie Comings geboren. Langmuir machte 1903 seinen Abschluss als Metallurgieingenieur an der School of Mines der Columbia University und erwarb seinen M.A. und Ph.D. in Chemie im Jahr 1906. Seine Arbeiten auf dem Gebiet der Oberflächenchemie wurden 1932 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
Atome und Moleküle – sind sie wirklich wichtig?
Einfach ausgedrückt, ohne Atome würde das Universum nicht existieren. Denn Atome sind die Grundbausteine der Materie. Was genau ist mit Materie gemeint? In den physikalischen und chemischen Wissenschaften wird „Materie“ definiert als das, was Raum einnimmt und Ruhemasse besitzt, insbesondere im Unterschied zur Energie. Kurz gesagt, „Materie“ ist alles.
Atome bestehen aus drei grundlegenden subatomaren Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen sind subatomare Teilchen, die eine positive elektrische Ladung aufrechterhalten. Neutronen sind subatomare Teilchen, die weder eine positive noch eine negative elektrische Ladung haben, also neutral sind. Protonen und Neutronen bilden zusammen den Atomkern. Elektronen, der letzte subatomare Teilchentyp, behalten eine negative elektrische Ladung und umkreisen den Atomkern wie eine Wolke.
Was sind dann Moleküle? Moleküle sind nichts anderes als Atome, die von anderen Atomen genug angezogen werden, um eine Bindung zu bilden. Eine Valenzbindung.
Molekulare Bindung - Arten von Valent Bonds
Wenn sich Atome aneinander binden, um Moleküle zu bilden, kann der Prozess auf verschiedene Weise ablaufen. Der Hauptweg, in dem Atome binden, wird als kovalent bezeichnet. Der Begriff kovalent bezieht sich auf die Tatsache, dass die Bindung die gemeinsame Nutzung eines oder mehrerer Elektronenpaare beinhaltet. Es gibt auch andere Möglichkeiten, wie Atome valente Bindungen bilden können, einschließlich:
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- Ionenbindungen oder Bindungen entsteht, wenn ein Atom ein oder mehrere Elektronen an ein anderes Atom abgibt.
- Metallische Bindungen, die Art der Chemikalie Verbindung die die Atome der Metalle zusammenhält. Metallische Bindungen sind die erzwungene Anziehung zwischen Valenzelektronen und den Metallatomen.
Kovalente molekulare Bindungen – Elemente vs. Verbindungen
Wenn valente Anziehungen zwischen Atomen auftreten, bilden sie molekulare Bindungen oder Substanzen, die entweder Verbindungen oder Elemente sind. Obwohl molekulare Verbindungen und molekulare Elemente durch kovalente Bindungen entstehen, gibt es auch einen wichtigen Unterschied zwischen den beiden.
Der Unterschied zwischen einem Molekül einer Verbindung und einem Molekül eines Elements besteht darin, dass in einem Molekül eines Elements alle Atome gleich sind. Zum Beispiel gibt es in einem Wassermolekül (einer Verbindung) ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome. Aber in einem Sauerstoffmolekül (einem Element) sind beide Atome Sauerstoff.
Beispiele für kovalente Bindungsverbindungen
Es gibt viele Beispiele für Verbindungen mit kovalenten Bindungen, darunter die Gase in unserer Atmosphäre, übliche Brennstoffe und die meisten Verbindungen in unserem Körper. Hier sind drei Beispiele.
Methanmolekül (CH4)
Die elektronische Konfiguration von Kohlenstoff beträgt 2,4. Es braucht 4 weitere Elektronen in seiner äußeren Hülle, um wie das Edelgas Neon zu sein. Dabei teilt sich ein Kohlenstoffatom vier Elektronen mit den einzelnen Elektronen von vier Wasserstoffatomen. Das Methanmolekül hat vier C-H-Einfachbindungen.
Wassermolekül (H2O)
Ein Sauerstoffatom verbindet sich mit zwei Wasserstoffatomen. Das Wassermolekül hat zwei O-H-Einfachbindungen.
Kohlendioxid (CO2)
Ein Kohlenstoffatom verbindet sich mit zwei Sauerstoffatomen. Das Kohlendioxidmolekül hat zwei C=O-Bindungen.
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Beispiele für kovalente Bindungselemente
Wenn ähnliche Atome kovalente Molekülbindungen bilden, sind die Ergebnisse kovalente Elemente. Zu den nichtmetallischen kovalenten Elementen im Periodensystem gehören:
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- Wasserstoff
- Kohlenstoff
- Stickstoff-
- Phosphor
- Sauerstoff
- Schwefel und Selen.
Darüber hinaus alle Halogenelemente, einschließlich:
- Fluor
- Chlor
- Brom
- Jod und Astat sind alle kovalente Nichtmetallelemente.
Polare und unpolare kovalente Bindungen
Im Gegensatz zu ionischen Bindungen bilden sich häufig kovalente Bindungen zwischen Atomen, bei denen eines der Atome durch den Verlust oder die Zunahme von einem oder zwei Elektronen nicht leicht eine Edelgas-Elektronenschalenkonfiguration erreichen kann. ... Daher teilen Atome, die kovalent binden, ihre Elektronen, um ihre Valenzschale zu vervollständigen.
Je größer der Elektronegativitätsunterschied ist, desto ionischer ist die Bindung. Teilweise ionische Bindungen sind polare kovalente Bindungen. Unpolare kovalente Bindungen mit gleicher Aufteilung der Bindungselektronen entstehen, wenn die Elektronegativitäten der beiden Atome gleich sind.
Beispiele für polare kovalente Bindungen
Bei einer polaren kovalenten Bindung verbringen die Elektronen, die sich die Atome teilen, durchschnittlich länger näher am Sauerstoffkern als am Wasserstoffkern. Dies liegt an der Geometrie des Moleküls und dem großen Elektronegativitätsunterschied zwischen dem Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom.
Ein Wassermolekül, abgekürzt als H2O, ist ein Beispiel für eine polare kovalente Bindung. Die Elektronen sind ungleich verteilt, wobei das Sauerstoffatom mehr Zeit mit Elektronen verbringt als die Wasserstoffatome. Da Elektronen mehr Zeit mit dem Sauerstoffatom verbringen, trägt es eine negative Teilladung.
Beispiele für eine unpolare kovalente Bindung
Unpolare Moleküle können sich weniger wahrscheinlich in Wasser lösen. Eine unpolare Substanz ist eine Substanz ohne Dipol, d. h. sie weist eine gleichmäßige Elektronenverteilung in ihrer Molekülstruktur auf. Beispiele umfassen Kohlendioxid, Pflanzenöle und Erdölprodukte.
Ein Beispiel für eine unpolare kovalente Bindung ist die Bindung zwischen zwei Wasserstoffatomen, da sie sich die Elektronen zu gleichen Teilen teilen. Ein weiteres Beispiel für eine unpolare kovalente Bindung ist die Bindung zwischen zwei Chloratomen, da sie sich auch die Elektronen zu gleichen Teilen teilen.
Kovalente Bindungen – Sieben Dinge, die Sie sich merken sollten
Hier sind ein paar wichtige Erkenntnisse, die Ihnen helfen, sich daran zu erinnern, was Sie gerade über kovalente Bindungen gelernt haben:
- Valenz- und kovalente Bindungen verbinden Atome zu Molekülen.
- Atome können auf drei Arten binden: kovalente Bindungen, ionische Bindungen und metallische Bindungen.
- Der Begriff kovalente Bindung beschreibt die Bindungen in Verbindungen, die aus der gemeinsamen Nutzung eines oder mehrerer Elektronenpaare resultieren.
- Ionenbindungen, bei denen Elektronen zwischen Atomen übertragen werden, treten auf, wenn Atome mit nur wenigen Elektronen in ihrer äußeren Hülle die Elektronen an Atome abgeben, von denen nur wenige in ihrer äußeren Hülle fehlen.
- Bei metallischen Bindungen verlieren viele Atome ihre Elektronen. Sie werden durch die Anziehung zwischen „freien“ Elektronen und positiven Kernen in einem Gitter zusammengehalten.
- Ein Atom, das ein Elektron verliert, wird positiv geladen; Ein Atom, das ein Elektron aufnimmt, wird negativ geladen, sodass die beiden Atome durch die elektrische Anziehung von Gegensätzen zusammengezogen werden.
- Da sie negativ geladen sind, werden die gemeinsamen Elektronen gleichermaßen zum positiven Kern der beiden beteiligten Atome gezogen. Die Atome werden durch die Anziehung zwischen jedem Kern und den gemeinsamen Elektronen zusammengehalten.
