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Chemische Bindung: Wasserstoff-Molekül-Ion, LCAO-Ansatz

Was ist eine chemische Bindung?

Die chemische Bindung beschreibt die Art des Zusammenhalts von Atomen bzw. Atomgruppen in Molekülen, Kristallen etc. (siehe auch: Typen der chemischen Bindung). Die Aufklärung der Bindungsverhältnisse ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis und zur Präsentation chemischer Strukturen sowie ihrer Eigenschaften. Die von den Chemikern bereits in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts aus der chemischen Erfahrung abgeleiteten Begriffe zur Valenz und Bindung (Valenzstrich als Abstraktion für ein sehr komplexes Verhalten) gehören zu den herausragenden Leistungen der Chemie, bevor die Ursachen der Bindung (quantenmechanische Beschreibung der Elektronen) und die exp. Methoden der Strukturforschung (X-ray) bekannt waren. Struktur-Bindungs-Vorstellungen sind auch heute noch "in Entwicklung", durch Einsatz experimenteller und quantenchemischer Methoden (vgl. Topologie der Elektronendichte, Bader-Analyse).

Bei der Annäherung von Atomen kommt es zu Wechselwirkungen zwischen ihren Elektronenhüllen. Dabei werden die Elektronen des einen Atoms zunehmend vom Kern des anderen Atoms beeinflusst. Es kommt zu einer erhöhten Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen zwischen den Kernen und somit zu einer von Null verschiedenen Elektronendichte im bindenden Zustand. Die potentielle Energie des Systems als Summe der anziehenden und abstoßenden Kräfte nimmt zunächst ab, durchläuft ein Minimum und steigt dann sehr stark auf Grund der Rumpf-Abstoßung an. Es existiert also ein Abstand zwischen den beiden Atomkernen, bei dem die potenzielle Energie minimal (niedriger als die der freien Atome) und die freigesetzte Energie somit maximal wird. Die Struktur und Dynamik eines zweiatomigen Moleküls kann mit dem Modell des harmonischen Oszillators (mit einer lösbaren Schrödinger-Gleichung) beschrieben werden.

Abb.1
Ausbildung einer Bindung zwischen 2 s-Orbitalen

Eine chemische Bindung kann mittels folgender Größen charakterisiert werden:

  • Bindungsenergie, die auf eine Bindung entfallende gemittelte Energie (z.B. im Methan vier gleiche C-H Energien)
  • Bildungsenergie, die Energie zur Bildung des Stoffes aus den Elementen im Grundzustand
  • Atomisierungsenergie ist die Energie, die nötig ist, das Molekül in die Atome zu zerlegen
  • Gesamtenergie ist die Energie, die alle Elektronen in einem Molekül haben
  • Dissoziationsenergie Energiebetrag, der aufgewendet werden muss, um das Molekül in zwei Fragmente zu zerlegen; sie unterscheidet sich von der Bindunsgenergie um die Nullpunktschwingungsenergie
  • Kraftkonstante vgl. Molekülspektroskopie, harmonischer Oszillator
  • Wellenzahl der Schwingung vgl. Schwingungsspektrokopie
  • Polarität der Bindung Bindungs-Dipolmoment
  • Bindungslänge Abstand der Atome im Molekül
  • Bindungswinkel vgl. Hybridisierung und VSEPR-Modell
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