Bindungen: Wer verbindet sich mit wem?

Beobachtung: Ein weiches Metall und ein giftiges Gas werden Kochsalz

Natrium ist ein Metall, das sich mit dem Messer schneiden lässt und auf Wasser brennt. Chlor ist ein gelbgrünes Gas, das die Lunge verätzt. Bringt man beide zusammen, entsteht unter Lichtblitz ein weißes Pulver, das du aufs Ei streust: Natriumchlorid, Kochsalz.

Die Verbindung hat Eigenschaften, die keines ihrer Elemente hat. Das ist keine Ausnahme, sondern die Regel: Wasser entsteht aus zwei Gasen, Rost aus Eisen und Luft.

Zwei Fragen leiten dieses Kapitel: Woher weiß man, dass auf ein Natriumatom genau ein Chloratom kommt und nicht zwei? Und warum heißt das Ergebnis Natriumchlorid?

Ein altes Bild: Sympathie und Antipathie

Die älteste Erklärung der Chemie ist ein Bild: Stoffe, die einander mögen. Empedokles ließ um 450 v. Chr. Liebe und Streit die Elemente vereinen und trennen. Die Chemiker des 18. Jahrhunderts sprachen von Verwandtschaft und stellten Tafeln auf, wer wen aus einer Verbindung verdrängt. Goethe machte 1809 einen Roman daraus: Die Wahlverwandtschaften.

Als Rechenregel taugt das Bild nicht. Wer glaubt, Neon „wolle“ nichts, erwartet kein XeF₂; wer glaubt, Natrium „wolle“ abgeben, versteht nicht, warum Natrium mit Quecksilber eine Legierung bildet — eine Mischung zweier Metalle. Ob eine Verbindung entsteht, folgt aus der Energiebilanz des ganzen Vorgangs. Die Regeln dieses Kapitels sind Bilanzregeln, keine Ursachen.

Und doch trifft das alte Bild etwas, das die Bilanz nicht sagt. Die Bilanz beschreibt, wann etwas geschieht, nicht, warum es diese Bilanz gibt. Und sie sagt nicht, warum Kochsalz anders ist als Natrium und Chlor. Das heutige Wort dafür ist Emergenz. Es benennt, dass die Eigenschaften neu sind; es erklärt nicht, wieso. Wir messen den Effekt, nicht den Grund. Die älteren Wörter standen für dieselbe Lücke und gaben sich nicht als Erklärung aus. Der Exkurs „Modell, Messung und Deutung“ geht dem nach.

Regel 1 — Wertigkeit: Wie viele Bindungen ein Atom eingeht

Die Elektronen der äußersten Schale heißen Valenzelektronen; bei den Hauptgruppen ist ihre Zahl die Gruppenziffer, 1 bis 8, wie du in Kapitel 2 an der Besetzung gesehen hast. Ein Hauptgruppenatom geht typischerweise so viele Bindungen ein, dass es dabei auf acht Außenelektronen kommt (Wasserstoff: auf zwei). Diese Zahl der Bindungen heißt Wertigkeit. Links im Periodensystem gibt ein Atom seine wenigen Valenzelektronen ab, die Wertigkeit ist gleich ihrer Zahl. Rechts nimmt es auf, was ihm zu acht fehlt, die Wertigkeit ist 8 minus der Zahl. In der Mitte teilt es. Deshalb steigt die Wertigkeit bis Gruppe 14 und fällt danach wieder.

Die Formel ergibt sich daraus, dass am Ende keine Wertigkeit übrig bleibt. Natrium (1) und Chlor (1): NaCl. Magnesium (2) braucht zwei Chloratome mit je 1: MgCl₂. Aluminium (3) und Sauerstoff (2) treffen sich erst bei sechs: Al₂O₃. Wasserstoff hat die Wertigkeit 1, Edelgase haben 0.

Modellgrenze: Die Wertigkeit aus der Gruppe ist eine Bilanzregel für Hauptgruppen. Übergangsmetalle wie Eisen haben mehrere Wertigkeiten (FeCl₂ und FeCl₃), schwerere Nichtmetalle eine höhere als die Spalte sagt (SF₆, PCl₅), und Xenon bindet Fluor, obwohl seine Wertigkeit null wäre. Der Viewer unten kennzeichnet jede dieser Ausnahmen.

Regel 2 — Zug: Wer die Elektronen bekommt

Wie viele Bindungen entstehen, sagt die Wertigkeit. Wie die Bindung aussieht, entscheidet, wie stark jeder Partner an den gemeinsamen Elektronen zieht. Dieser Zug heißt Elektronegativität, Zeichen χ, nach Linus Pauling als Zahl zwischen 0,7 und 4,0 angegeben. Sie wächst in der Tendenz nach rechts und nach oben; Ausnahmen stehen in der Karte, etwa Gallium, Germanium und Blei, die über ihren leichteren Nachbarn liegen.

Für zwei Partner zählt der Unterschied Δχ:

• Großer Unterschied (Δχ ≥ 1,8): Der eine gibt ab, der andere nimmt. Es entstehen Ionen, die sich zu einem Kristall ordnen — ein Salz. Natrium und Chlor: Δχ = 2,23.
• Kleiner Unterschied, beide Nichtmetalle: Keiner gibt nach, sie teilen Elektronenpaare — ein Molekül. Wasserstoff und Sauerstoff: Δχ = 1,24. Bei Siliciumdioxid oder Siliciumcarbid bilden geteilte Paare ein endloses Netzwerk statt einzelner Moleküle.
• Kleiner Unterschied, beide Metalle: Die Elektronen gehören allen Atomen gemeinsam — ein Metall oder eine Legierung wie Messing aus Kupfer und Zink. Legierungen haben keine feste Formel.

1,8 ist keine Kante. OpenStax nennt unter 0,4 unpolar, 0,4 bis 1,8 polar kovalent, über 1,8 ionisch, und fügt hinzu: eine grobe Orientierung. Natriumhydrid NaH hat Δχ = 1,27 und ist trotzdem ein Salz. Der Viewer zeigt Δχ deshalb nicht nur als Zahl, sondern als Marke auf einem Balken; Grenzfälle sind dort benannt.

Regel 3 — Der Name folgt der Formel

Das Element mit dem geringeren Zug steht vorn und behält seinen Namen. Das mit dem höheren Zug steht hinten und bekommt die Endung -id. Diese Ordnung stammt von Berzelius (1813): Jede Verbindung hat einen elektropositiven und einen elektronegativen Teil.

Bei Molekülen zählen griechische Vorsilben die Atome: mono-, di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-. Kohlenstoffmonoxid CO, Kohlenstoffdioxid CO₂, Schwefelhexafluorid SF₆. Bei Salzen entfallen sie, weil die Wertigkeiten das Verhältnis festlegen: „Magnesiumchlorid“ genügt, MgCl₂ folgt aus 2 und 1.

Bei Metallen mit mehreren Wertigkeiten steht die hier benutzte Wertigkeit als römische Zahl in Klammern hinter dem Namen; sie heißt dort Oxidationszahl: Eisen(II)-chlorid FeCl₂, Eisen(III)-chlorid FeCl₃. Diese Schreibweise führte Alfred Stock 1919 ein. Einige Namen sind älter als jede Regel und geblieben: Wasser, Ammoniak, Methan.

Drei Schritte für jede neue Verbindung: Wertigkeit gibt die Formel, Zug gibt die Bindungsart und die Reihenfolge, die Formel gibt den Namen.

Regel 4 — Energie: Ob die Verbindung überhaupt entsteht

Wertigkeit und Zug sagen, wie eine Verbindung aussähe. Ob sie entsteht, entscheidet die Energie. Beim Bilden aus den Elementen wird Wärme frei oder verbraucht; diese Wärme je Mol heißt Bildungsenthalpie ΔH°f, gemessen bei 25 °C und Normaldruck. Negativ heißt exotherm: Die Verbindung liegt energetisch tiefer als ihre Elemente, und der Unterschied wird frei. Positiv heißt endotherm: Die Elemente liegen tiefer, und die Verbindung entsteht nur, wenn Energie hineingesteckt wird.

Natrium und Chlor: ΔH°f(NaCl) = −411,2 kJ je Mol — daher der Lichtblitz aus Schritt 1. Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff: −285,83 kJ je Mol, die Knallgasreaktion. Aluminiumoxid: −1676 kJ je Mol; Aluminiumpulver brennt mit greller Flamme.

Woher die Zahl kommt, zeigt die Bilanz der Bindungen. Bindungen lösen kostet Energie, Bindungen knüpfen setzt Energie frei. Für Chlorwasserstoff aus H₂ und Cl₂: H–H lösen kostet 436 kJ, Cl–Cl lösen 243 kJ, zwei H–Cl knüpfen bringt 2 × 432 = 864 kJ. Bilanz: 436 + 243 − 864 = −185 kJ für zwei Mol HCl, also −92,5 kJ je Mol. Gemessen sind es −92,307 kJ je Mol. Bei Salzen tritt die Gitterenergie an die Stelle der Bindungsenergien: Das Kochsalzgitter hält mit 769 kJ je Mol zusammen, und diese Energie ist der Grund, warum Ionen sich überhaupt bilden.

18 Verbindungen der Liste sind endotherm, zum Beispiel Stickstoffmonoxid NO mit +90,25 kJ je Mol: Die Dreifachbindung in N₂ und die Doppelbindung in O₂ sind zusammen stärker als zwei N=O-Bindungen. NO entsteht trotzdem — im Blitz und im heißen Motor, wo die Energie da ist. Endotherme Verbindungen sind gespeicherte Energie: Stickstofftrichlorid NCl₃ (+232 kJ je Mol) gibt sie beim kleinsten Anstoß schlagartig ab. Der Viewer nennt bei jeder Verbindung den Wert und die Quelle; bei 30 Verbindungen fehlt er in unseren drei Quellen, und dort steht das auch.

Modellgrenze: Die Bildungsenthalpie sagt, ob Energie frei wird — nicht, ob und wie schnell die Reaktion läuft. Natrium und Chlor stehen bei Raumtemperatur nebeneinander, bis ein Funke sie zündet: Die Reaktion braucht einen Anlauf, die Aktivierungsenergie. Und ob eine Reaktion von selbst abläuft, entscheidet nicht die Wärme allein, sondern zusammen mit der Unordnung (Entropie) die freie Enthalpie ΔG. Beides steht nicht in diesem Kapitel; der Anhang G führt ΔG neben ΔH.

Vier Zahlen für jede neue Verbindung: Wertigkeit gibt die Formel, Zug die Bindungsart, die Formel den Namen, die Bildungsenthalpie sagt, ob die Bildung Energie freisetzt.

Werkzeug: Wer verbindet sich mit wem?

Wähle ein Element in der Tabelle. Oben stehen seine Partner, in der Mitte das Element mit Wertigkeit und Zug, unten die Verbindung mit Bindungsart, Name und Bildungsenthalpie. Ein Klick auf einen Partner macht ihn zum Hauptelement und zeigt die Bindung zwischen beiden — so läufst du das Netz der Verbindungen ab. Adressen wie 04-bindungen.html?element=Fe&partner=O springen direkt zu einem Paar.

Ansicht: Das Netz der Verbindungen

Dieselbe Liste noch einmal, aber als Ganzes: Jedes behandelte Element ist ein Punkt, jede belegte Verbindung eine Linie zwischen zwei Punkten. Ein Klick auf einen Punkt wählt das Element auch im Werkzeug oben aus; umgekehrt leuchten hier die Linien des Elements, das dort gewählt ist.

Drei Dinge sind zu sehen. Erstens Naben: O, Cl und F haben 36, 33 und 20 Partner, und 62 Prozent aller Linien hängen an nur drei Elementen; 17 Elemente haben höchstens zwei. Zweitens zwei Hälften: 82 Linien verbinden ein Metall mit einem Nichtmetall, 53 zwei Nichtmetalle, nur 3 zwei Metalle. Metalle bilden untereinander fast nichts, Nichtmetalle einen dichten Kern. Drittens Fächer: Elemente derselben Gruppe haben dieselben Nachbarn und liegen deshalb beieinander — das Periodensystem taucht im Netz wieder auf, ohne dass es jemand hineingelegt hätte. Das Kreislayout legt Gruppe und Periode absichtlich fest; dort siehst du, was das Kraftlayout von selbst findet.

Blende die drei Naben aus: 12 der 44 verbundenen Elemente hängen dann an nichts mehr, und was bleibt, hält vor allem an Schwefel und Wasserstoff zusammen — den nächsten beiden Elektronenziehern. So viel hängt an wenigen Elementen.

Modellgrenze: Das Netz zeigt unsere Liste, nicht die Chemie. Eine fehlende Linie heißt „keine belegte binäre Verbindung in dieser Liste“, nicht „unmöglich“; bei Vollständigkeit wäre fast jedes Paar verbunden und das Bild ein Knäuel. Gerade die Auswahl macht die Struktur sichtbar.

Wer hat sich das ausgedacht?

Die Namen wirken willkürlich, solange man nicht weiß, wer sie wann eingeführt hat und wogegen. Jede Zeile nennt, was von der Idee heute noch in Gebrauch ist.

Zwei Dinge fallen auf. Erstens: Sauerstoff heißt nach einer falschen Theorie — Lavoisier hielt ihn für den Säurebildner; die Deutung ging, der Name blieb. Zweitens: Mendelejew ordnete 1869 nach den Formeln der Oxide und Hydride, also nach den Wertigkeiten. Das Periodensystem aus Kapitel 1 ist aus den Verbindungen entstanden, nicht aus dem Atombau. Der Atombau kam erst fünfzig Jahre später als Erklärung hinzu.

Was das Modell nicht sagt

• Wertigkeit ist Bilanz, keine Ursache. Ob eine Verbindung entsteht, entscheidet die Energiebilanz des ganzen Vorgangs. Als Rechenregel wollen Atome nichts.
• Die Bildungsenthalpie sagt nicht, wie schnell. Sie vergleicht Anfang und Ende. Ob die Reaktion anläuft, hängt am Anlauf (Aktivierungsenergie); ob sie von selbst läuft, an ΔG, nicht an ΔH allein.
• Warum die Bilanz so ist, sagt das Modell nicht. Und warum Kochsalz anders ist als Natrium und Chlor, auch nicht. „Emergenz“ ist ein Name für diese Lücke, keine Antwort. Im Exkurs ausgeführt.
• 1,8 ist keine Kante. Bindungen liegen auf einem Kontinuum. Der Balken im Viewer zeigt die Lage, die Grenzfälle sind benannt.
• Grau heißt nicht unmöglich. Ein graues Feld im Viewer bedeutet: keine stabile binäre Verbindung in unserer belegten Liste. Bei Helium, Neon und Argon ist keine bekannt; bei Xenon gibt es welche.
• Legierungen haben keine Formel. Messing ist Kupfer mit Zink in wechselndem Verhältnis.
• Nur binäre Verbindungen. Säuren, Salze mit mehratomigen Ionen (Sulfat, Nitrat) und organische Moleküle folgen weiteren Regeln. Kapitel 7 zeigt, warum dieselben Regeln auch Ketten, Mehrfachbindungen und Komplexe tragen.

Vorhersagen, dann prüfen

Bereit für den Viewer? Er steht weiter oben in Schritt 7. Wähle dort ein Element und lies Wertigkeit und Zug ab. Sage Formel und Namen der Verbindung mit Sauerstoff voraus, dann prüfe — und sieh nach, ob ihre Bildung Energie freisetzt.

Der Grundlagenweg ist abgeschlossen

Du kannst jetzt von der Tabellenposition über die Besetzung und die Kräfte zu einer begründeten Vorhersage gelangen. Sie sagt, mit wem sich ein Element verbindet, in welchem Verhältnis, wie und unter welchem Namen.

Hier endet der Grundlagenweg vollständig; du brauchst für die Chemie kein weiteres Kapitel. Die Kapitel 5 und 6 sind der Quantenweg: Sie fragen, woher Wertigkeit und Zug kommen, und sind ein Angebot, keine Fortsetzung. Vertiefe die räumliche Bedeutung der Orbitale oder erkunde ein Element im Explorer.