1 · Wie viele Elektronen stehen für eine Bindungslinie?
Lösung ansehen
Zwei: Eine Linie bezeichnet ein Elektronenpaar.
Chemie · Grundlagen · Sekundarstufe I
Atombindung und Lewis-Formeln
Wie können Atome verbunden sein, ohne zu einem Ionengitter zu werden? Lerne gemeinsame Elektronenpaare kennen und zeichne Lewis-Formeln mit einer nachvollziehbaren Elektronenbilanz.
Elektronenpaare sichtbar machen
H—H
Ein Strich steht für zwei Elektronen.
Freie Paare gehören ebenfalls zur vollständigen Lewis-Formel.
Zwei Atome nutzen ein Elektronenpaar gemeinsam
Bei einer Atombindung, auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung genannt, trägt Elektronendichte zwischen Atomkernen zum Zusammenhalt bei. Das einfache Lewis-Modell beschreibt eine Bindung durch ein gemeinsames Elektronenpaar. Es wird beiden verbundenen Atomen bei der Schalenprüfung zugeordnet.
Ein Wasserstoffatom besitzt ein Elektron. Zwei Wasserstoffatome können zusammen ein H₂-Molekül bilden. Ihr gemeinsames Paar ergibt für jedes H eine mit zwei Elektronen besetzte erste Schale. Dabei werden keine zusätzlichen Elektronen erschaffen: Im Molekül sind insgesamt weiterhin zwei Elektronen vorhanden.
Solche Bindungen begegnen dir besonders zwischen Nichtmetallatomen. Viele Stoffe bestehen aus einzelnen Molekülen, etwa Wasser oder Kohlenstoffdioxid. Es gibt aber auch ausgedehnte kovalente Netzwerke wie Diamant. „Atombindung“ bedeutet deshalb nicht automatisch „kleines einzelnes Molekül“.
Punkte und Striche richtig lesen
Ein Lewis-Symbol zeigt das Elementsymbol und seine Außenelektronen als Punkte. Für den Einstieg verteilt man die Punkte zunächst einzeln auf vier Seiten und bildet danach Paare. Die Seiten im Symbol sind eine Zeichenhilfe, keine beobachteten Positionen auf einer Kreisbahn.
In einer Lewis-Formel stehen zwischen verbundenen Atomen bindende Elektronenpaare. Ein Strich bedeutet ein Paar, zwei Striche eine Doppelbindung und drei Striche eine Dreifachbindung. Freie Elektronenpaare liegen am Symbol eines Atoms und sind keiner Bindung zwischen zwei Atomen zugeordnet.
Unsere Grafiken zeichnen Bindungspaare als blaue Striche und freie Paare als grüne Punktpaare. Beide Darstellungen stehen jeweils für zwei Elektronen. Farben unterscheiden die Aufgaben der Paare, nicht verschiedene Arten von Elektronen.
Vergleichen und entdecken
Zwei H-Atome bringen je ein Elektron mit. Das gemeinsame Paar zählt bei der Schalenprüfung für beide Atome: Jedes H erreicht zwei Elektronen. Insgesamt existieren trotzdem nur zwei Valenzelektronen.
Wasser zeichnen: eine sichere Reihenfolge
1. Valenzelektronen zählen: Sauerstoff liefert sechs, jedes Wasserstoffatom eines. Für H₂O stehen insgesamt 6 + 2 · 1 = 8 Elektronen zur Verfügung. Gezählt werden hier nur Außenelektronen, nicht die inneren Elektronen des Sauerstoffs.
2. Atome verbinden: Sauerstoff steht in der Mitte; Wasserstoff bildet in diesen einfachen Molekülen jeweils nur eine Bindung und steht außen. Zwei O–H-Einfachbindungen verbrauchen vier Elektronen.
3. Rest verteilen: Von acht Elektronen bleiben vier. Zeichne sie als zwei freie Elektronenpaare am O. Kein Elektron darf bei dieser Gesamtbilanz doppelt auftauchen.
4. Besetzung kontrollieren: Am Sauerstoff zählen zwei Bindungspaare und zwei freie Paare, zusammen acht Elektronen. An jedem H zählt ein Bindungspaar, also zwei Elektronen. Die Gesamtzahl im Molekül bleibt acht Valenzelektronen, weil die Bindungspaare bei der lokalen Prüfung gemeinsam genutzt werden.
5. Form einordnen: Wasser ist geknickt. Die freien Paare spielen bei der räumlichen Anordnung eine wichtige Rolle. Eine reine Strichformel allein liefert jedoch noch keine genaue Winkelberechnung; dafür nutzt man ein räumliches Elektronenpaarmodell.
Warum CO₂ zwei Doppelbindungen besitzt
Für CO₂ stehen 4 + 2 · 6 = 16 Valenzelektronen zur Verfügung. Setze C in die Mitte und verbinde zunächst beide O-Atome einfach mit C. Vier Elektronen sind damit in Bindungen. Die zwölf übrigen lassen sich zunächst als freie Paare auf die beiden äußeren O-Atome verteilen.
Nun haben die O-Atome jeweils acht zugeordnete Elektronen, C aber erst vier. Wandle deshalb an jedem O ein freies Paar in ein zusätzliches Bindungspaar zu C um. So entsteht O=C=O. Die Gesamtzahl der Elektronen ändert sich nicht; nur ihre Zuordnung als frei oder bindend ändert sich.
Prüfe am Ende: zwei Doppelbindungen enthalten acht Elektronen. Jedes O besitzt zusätzlich zwei freie Paare, zusammen weitere acht Elektronen. Das ergibt 16. An C sowie an jedem O sind lokal acht Elektronen zugeordnet.
Bei N₂ funktioniert dieselbe Idee mit drei gemeinsamen Paaren zwischen den Atomen. Zusätzlich bleibt an jedem N ein freies Paar. Eine Dreifachbindung ist also nicht ein Strich mit drei Elektronen, sondern besteht im Lewis-Modell aus drei Paaren mit insgesamt sechs Elektronen.
Oktettregel und Modellgrenzen
Für viele einfache Verbindungen der zweiten Periode ist ein Oktett eine gute Orientierung. Wasserstoff erreicht dagegen ein Duett mit zwei Elektronen. Es gibt Verbindungen mit Elektronenmangel, ungepaarten Elektronen oder anderen Besonderheiten. Die Oktettregel ist daher eine nützliche Schulregel mit Grenzen.
Bei geladenen Teilchen musst du die Gesamtladung in die Elektronenbilanz aufnehmen: Für jede negative Ladung kommt ein Elektron hinzu, für jede positive fällt eines weg. Mehratomige Ionen setzt man in eckige Klammern mit hochgestellter Gesamtladung. Solche Beispiele sind eine Erweiterung der hier geübten neutralen Moleküle.
Lewis-Formeln zeigen Bindungsverknüpfungen und Elektronenpaare. Sie sind keine Fotos von Elektronen und zeigen nicht deren genaue Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Auch die Polarität einer Bindung oder die räumliche Gestalt muss zusätzlich erklärt werden.
Unterrichtsimpuls: Fehler sichtbar korrigieren
Zeige H₂O und lasse die Lernenden die Gesamtzahl der Valenzelektronen zählen. Decke gedanklich die beiden freien Paare ab: Welche vier Elektronen fehlen dann? Wechsle anschließend zu CO₂ und frage, warum ein bloßes O–C–O mit vollständig aufgefüllten O-Atomen dem C noch kein Oktett gibt. Lass die Umwandlung eines freien Paars in eine Bindung beschreiben.
Sechs Aufgaben zum Selbstcheck
Erst selbst lösen, dann die Lösung öffnen.
2 · Wie viele Valenzelektronen besitzt H₂O insgesamt?
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Acht: sechs von O und je eines von zwei H.
3 · Wie viele freie Elektronenpaare besitzt O im Wassermolekül?
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Zwei. Zusätzlich bildet es zwei Bindungspaare zu den H-Atomen.
4 · Wie viele Elektronen sind in den zwei Doppelbindungen von CO₂?
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Acht Elektronen: vier Paare in zwei Doppelbindungen.
5 · Wie viele freie Paare bleiben in N₂ insgesamt?
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Zwei, je eines pro N. Sechs der zehn Valenzelektronen stecken in der Dreifachbindung.
6 · Braucht Wasserstoff in diesen Molekülen acht zugeordnete Elektronen?
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Nein. Seine erste Schale ist mit zwei Elektronen vollständig besetzt: Duettregel.
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