Physik in unserem Leben/ Atomverbindungen

Unter den üblichen Bedingungen hier auf der Erde verbinden sich Atome in der Regel miteinander und formen so Moleküle oder Festkörper. Bei Molekülen kann es sich um nur zwei, aber auch um tausende oder gar Millionen von Atomen handeln, die miteinander fest verbunden sind. Man unterscheidet drei Hauptarten von Verbindungen zwischen zwei Atomen:

die Ionenbindung
die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung genannt)
die Metallbindung

Die Ursachen für diese verschiedenen Verbindungstypen sind die verschiedenen Strukturen der Atome.

Ionen

Die Atomen sind gewöhnlich neutral. Manche Atome können ein oder mehrere Elektronen abgeben, manche können ein weiteres aufnehmen. Es gibt so im zweiten Fall einen Elektronenüberschuss, also das Atom ist negativ geladen (die Elektronen sind negativ geladen). Dann nennt man das Atom Anion. Am ersten Fall gibt es hingegen einen Elektronenmangel, also ist das Atom positiv geladen. Dann nennt man das Atom Kation. Es gibt also zwei Arten von Ionen, die Anionen und die Kationen.

Zu unterscheiden ist ferner die Situation, dass ein Ion isoliert auftritt, von der Situation, dass in der näheren Umgebung andere Atome oder Ionen sind. Im ersteren Falle ist es meist schwierig, mehr als ein Elektron zusätzlich am Atom unterzubringen, meistens lassen sich solche zusätzlichen Elektronen mit relativ geringem Energieaufwand wieder entfernen. beziehungsweise es gibt gar keinen zeitlich stabilen Zustand des Ions mit mehreren zusätzlichen Elektronen, diese werden dann wieder abgegeben. Sind allerdings in der Nähe Kationen, so kann dies für eine Stabilisierung sorgen.

Diese Stabilisierung erfolgt durch eine Verbindung der Ionen zu einem (meist neutralen) Molekül oder zu einem Festkörper. Dabei treten die Atome oder Ionen also nicht mehr einzeln auf, sondern nur noch zusammen in solch einem Verbund. Damit das passieren kann, muß die Temperatur so niedrig sein, dass solch eine Verbindung auch hält - wie bereits früher diskutiert, bewegen sich oder schwingen die Atome bei hohen Temperaturen gegeneinander. Ist eine solche Schwingung zu stark, trennen sich die Atome oder Ionen wieder voneinander, man nennt das auch Dissoziation.

Ionenbindung

Die Ionenbindung kann man sich ungefähr so vorstellen: Die Atome stoßen zufällig zusammen, nähern sich einander also ungefähr auf einem Abstand, welcher der Größe eines Atoms entspricht. Dann wirken der Kern und die Elektronen des einen Atoms auch auf die Elektronen (und den Kern) des anderen. Das Verhalten besonders der Elektronen ändert sich. Wenn ein Atom, dass ein Elektron abgeben kann, sich in der Nähe eines Atoms befindet, dass ein Elektron aufnehmen kann, dann gibt es tatsächlich sein Elektron zum zweiten Atom ab. Die beide Atome sind also ungleichnamig geladen (Kation und Anion), daher ziehen sie sich an. Das ist die Ionenbindung. Genaugenommen müssen sie auch noch Energie abgeben, damit sie zusammenbleiben können, sonst würden sie so stark gegeneinander schwingen, dass sie sofort wieder dissoziieren, auseinanderfliegen. Bei zwei einzelnen Atomen ist es also gar nicht so einfach, sie zu einem stabilen Molekül zu verbinden. Sie müßten über den recht kurzen Zeitraum des Zusammenstoßes (Pikosekunden meistens) Energie abgeben, um ein Molekül zu bleiben. Das Molekül könnte die Energie zum Beispiel als Licht abgeben. Es kommt dann auf die genauen Bedingungen und das Molekül an, ob dies in der kurzen Zeit des Zusammenstoßes passieren wird oder nicht. Hat man hingegen bereits eine 'Suppe' von vielen Atomen und Molekülen, so fällt es leichter, die überschüssige Energie auf die anderen etwa durch weitere Stöße zu verteilen.

In der Ionenbindung sind die Ionen stark miteinander verbunden. Bei einem Festkörper spricht man von einem Ionengitter.

Atombindung

Manchmal ist die Situation aber nicht so klar. Es kann zum Beispiel wohl sein, dass zwei gleiche Atome aufeinandertreffen und sich miteinander verbinden. In so einem Fall kann man nicht mehr sagen, dass das eine Atom das Elektron abgibt und das andere das Elektron aufnimmt. Sie sind ja gleich. Dann kann man es sich so vorstellen, dass jedes Atom ein Elektron an das andere abgibt und beide das Elektronenpaar miteinander teilen. In diesem Fall spricht man von einer Atombindung (auch Elektronenpaarbindung genannt). Auch hier ist es natürlich wieder notwendig, dass Energie verlorengeht, damit beide zusammenbleiben können, was auch wahrscheinlicher ist, wenn der Vorgang dort stattfindet, wo die Energie auf viele Atome oder Moleküle verteilt werden kann.

Metallbindung

Bei dieser Art von Bindung kann man nicht mehr über eine Verbindung zwischen zwei Atomen sprechen. In diesem Fall geben mehrere Atome Elektronen ab. In dieser Weise entstehen mehrere positiv geladene Atome. Die sind miteinander verbunden in einem sogenannten Metallgitter. Zwischen diesen Atomen bewegen sich frei die abgegebene Elektronen. Es gibt also viele Elektronen, die unter mehreren positiv geladenen Atomen geteilt werden. Man spricht von einem Elektronengas. Wie gesagt, bewegen sich diese Elektronen frei zwischen den positiv geladenen Atomen. Wir werden auch sehen, dass deshalb die Metalle elektrische Leiter sind.

Modelle für eine tiefere Erklärung

Ehe wir eine weitere Erklärung durchführen, sollten wir etwas über die Vorgehensweise der Physik sagen. Die Physik (und Wissenschaft im Allgemeinen) kann letztendlich nichts über den Sinn des Lebens sagen, nichts über die Gründe der Existenz oder des Bewusstseins. Die Physik versucht nur, Beobachtungen, Experimente möglichst genau zu beschreiben. Nach Möglichkeit passiert das mit mathematischen Formeln oder Modellen, Theorien genannt. Diese sollten dann vorhersagen können, was passiert, wenn man dasselbe Experiment erneut durchführt. Meist können einer solchen Theorie auch noch Vorhersagen entnommen werden über Experimente, die man noch gar nicht durchgeführt hat. Führt man das Experiment durch, kann man gegebenenfalls feststellen, dass die Vorhersage nicht stimmt. Dann muß man die Theorie verbessern, macht aufgrund der Vorhersagen wieder Experimente und so weiter und so fort. Eine 'gute' Theorie beschreibt möglichst viele Experimente möglichst genau. Es sollte also innerhalb der Genauigkeit, mit der man die Experimente durchführt, keine Abweichungen geben. In diesem Sinne sind auch technische Geräte Experimente. Wenn sie wie beabsichtigt funktionieren, sind die Theorien, nach denen sie konstruiert wurden, jedenfalls genau genug für diese Geräte. Darüber hinaus hat die Physik, die Naturwissenschaft allgemein keinen Wahrheitsanspruch. Aussagen, Theorien, die nicht gegebenenfalls mit Experimenten widerlegt werden können, sind nicht Bestandteil von Physik und Naturwissenschaft.

Nun muß man für viele Anwendungen, Experimente nicht alles ganz genau wissen, oft reicht es auch so ungefähr. Wenn man also im Experiment gar nicht so genau hinguckt/mißt, kann man eine 'gute' Theorie auch wieder so weit vereinfachen, nähern, dass man damit einfacher Vorhersagen treffen kann, denn oft ist es sehr schwierig, mit den 'guten' Theorien, die prinzipiell alles recht genau beschreiben könnten, kompliziertere Objekte zu behandeln.

Zum Glück muß ein Autofahrer zum Beispiel nicht wissen, wie sich alle Atome seines Autos verhalten, um dieses fahren zu können. Selbst die Leute, die das Auto gebaut haben, müssen das nicht wissen. Sie verwenden daher einfache Modelle, die ausreichen, damit der Autofahrer auf der Straße bleibt und meistens dorthin fährt, wohin er fahren möchte. Das Kunststück ist dann offenbar nur, aus der Theorie, die prinzipiell in der Lage ist, das Verhalten aller Atome des Autos zu beschreiben, einfache Modelle zu entwickeln, die für den jeweiligen Zweck ausreichen. Will man solch ein einfaches Modell anwenden, muß man dann natürlich genau gucken, ob es zur beabsichtigten Anwendung paßt oder ob sich ein anderes besser eignet.

Auch bei unserem Problem der Verbindungen zwischen Atomen müssen wir keine detaillierten Kenntnisse darüber haben, wie genau der Kern eines Atoms aufgebaut ist. Es reicht hier, die Masse und die Anzahl der Ladungen des Kerns zu kennen.

Dies im Gedanken tragend, können wir jetzt einfachere Modelle zur Erklärung der Verbindung von Atomen diskutieren. Hinsichtlich der Verbindung von Atomen würde der Physiker etwas als 'gute' Theorie bezeichnen, was er Quantenmechanik nennt. Die zugehörige Formel nennt er Schrödingergleichung. Die kann man auch ausführlich für den Fall einer Verbindung von zwei Atomen hinschreiben, stellt dann in der Regel allerdings recht schnell fest, dass auch die schnellsten heute verfügbaren Computer nicht ausreichen, um das Problem in kurzer Zeit (sagen wir mal wenigen Jahren) ohne weitere Vereinfachung zu lösen.

Daher wird sinnvoll vereinfacht, bei einem Modell mehr, bei einem anderen weniger.

Schalenmodell

Noch bevor die angedeutete 'gute' Theorie bekannt war, haben die Chemiker lang Versuche durchgeführt und haben dabei gemerkt, dass die verschiedenen Substanzen sich in einfachen Verhältnissen miteinander verbinden. In heutiger Sprache heißt das, dass sich zum Beispiel zwei oder drei Atome einer Substanz (man sagt Element) mit einem oder zwei oder drei oder vier einer anderen Substanz verbinden können und nicht zum Beispiel mit 6,31773. Es geht also um Brüche von ganzen Zahlen bis 4. Langsam ist man zum Schluss gekommen, dass die Elemente eine sogenannte äußere Schale haben, die eine Neigung hat, immer 8 Elektronen zu haben.

Ausnahmen sind Wasserstoff und Helium, deren Neigung es ist, zwei Elektronen in dieser äußersten Schale zu haben. Bei diesen beiden Atomen ist also in der äußersten Schale Platz für maximal zwei Elektronen, bei den andern für acht. Wenn diese Schale mit 5 bis 7 Elektronen gefüllt ist, dann hat sie die Neigung, Elektronen aufzunehmen. Dadurch wird das entsprechende Atom negativ geladen. Wenn diese Schale nur mit 1 bis 3 Elektronen gefüllt ist, dann hat sie die Neigung, Elektronen abzugeben. Wenn sie mit 8 Elektronen gefüllt ist, dann braucht sie nichts mehr. Das ist der Fall der sogenannten Edelgase. Entsprechend ist Helium der Sonderfall eines Edelgases, bei dem die Schale bereits mit zwei Elektronen voll ist. Wenn solch eine Schale mit Platz für acht Elektronen nur mit vieren gefüllt ist, ist die Situation unklar, sie kann sowohl aufnehmen als auch abgeben.

Nun gibt es Atome mit mehr als 8 Elektronen. Ist eine Schale voll, wird die nächste gefüllt. Die vollen Schalen werden dann innere Schalen genannt, die letzte, nach der es keine teilweise gefüllte Schale mehr gibt, wird äußere Schale genannt. Zuerst wird also die Schale mit nur zwei Plätzen gefüllt, danach erst die mit den acht Plätzen und so weiter.

Die inneren Schalen also sind schon vollständig, sie brauchen kein Elektron abgeben oder aufnehmen. Diese vollen Schalen sind für Verbindungen und Chemie im Allgemeinen nicht relevant.

Erstes Beispiel: Ein Chloratom hat 7 Elektronen in der äußeren Schale, ein Natriumatom 1. Das Natrium gibt sein Elektron ab, das Chlor nimmt es auf. Die nächste (innere) Schale von Natrium ist, wie schon gesagt, vollständig. Wenn das äußere Elektron also abgegeben wird, ist die (neue) äußere Schale von Natrium vollständig. Wenn das Chlor das Elektron aufnimmt, dann hat es jetzt 8 Elektronen in der äußersten Schale. Damit ist es auch vollständig. Dabei ist jetzt das Natrium positiv und das Chlor negativ geladen. So ziehen sie einander an. Das ist die Ionenbindung.

Das Ergebnis kennen wir auch als Kochsalz, etwa in der Suppe. Obwohl es nicht empfehlenswert ist, Natrium oder Chlor in großen Mengen alleine zu sich zu nehmen, kann man seine gesalzene Suppe recht unbedenklich essen. Mit den gefüllten äußeren Schalen verhalten sich Natrium und Chlor zusammen als Kochsalz sehr friedlich, alleine suchen sie sich im Körper andere Atome zum Elektronenaustausch, was dann sehr schädlich für den Körper sein kann.

Zweites Beispiel: Zwei Chloratome verbinden sich. Jedes gibt ein Elektron ab, das Elektronenpaar aber, das so entsteht, wird von beiden geteilt. So hat jedes von beiden Atomen 8 Elektronen in der äußersten Schale, sie müssen aber dabei verbunden bleiben. Solch ein Chlormolekül braucht nun eigentlich immer noch zwei Elektronen, damit die Schalen wirklich voll sind, daher sucht es nach anderen Atomen zum Elekronenaustausch, damit die Schalen wirklich voll werden. Von daher kann es recht ungesund sein, viel Chlor einzuatmen.

Drittes Beispiel: Natriumatome verbinden sich. Jedes Natriumatom hat in der äußeren Schale ein Elektron über. Mit vielen anderen Natriumatomen kommt es zur Metallbindung. Der Chemielehrer etwa kann einen Klumpen Natrium vorzeigen. Es ist verformbar ungefähr wie Kaugummi. Weil der Klumpen allerdings pro Atom im Grunde eine Elektron übrig hat, suchen auch hier die Atome nach anderen zum Elektronenaustausch. Daher sind solche Klumpen recht gefährlich und werden unter Verschluß gehalten. Das freie Elektronengas im Metallgitter kann allerdings gentutzt werden, um Strom zu leiten. Verbindet man eine Batterie mit dem Natriumklumpen auf der einen Seite, verbindet die andere Seite mit einer Glühbirne und diese wiederum mit der Batterie, so kann der Strom fließen und die Glühbirne leuchtet.

Gemeinsame Bahn um die Atome

Auch dieses Modell ist entstanden, bevor die 'gute' Theorie voll ausgearbeitet war, ist aber eine wichtige Verfeinerung auf dem Weg dorthin.

In diesem Modell kann man sich die Bahnen der Elektronen der äußersten Schalen der verbundenen Atome so vorstellen, als ob sie sich um die verbundenen Atome anordnen. Die sich sehr schnell bewegenden Elektronen sind wie eine Hülle, die die verbundenen Atome zusammenhält. Sie kreisen also um alle verbundenen Atome. Dieses Modell kann auch einiges erklären. Es kann einigermaßen (nicht aber vollständig) die Stabilität von allen drei Verbindungsarten erklären (warum also die Atome nicht auseinandergehen) - das Modell macht auch anschaulich klarer, warum die Elektronen nicht in den Kern fallen, ähnlich wie die Planeten unseres Sonnensystems nicht in die Sonne fallen. Es kann aber nicht erklären, warum die Atome ihre Elektronen abgeben, aufnehmen oder teilen.

Der heutige Stand der Wissenschaft

Wo liegt also die Wahrheit? Wie bereits angedeutet, kümmert sich die Physik eigentlich nicht um Wahrheit, sondern versucht nur, Experimente genau zu beschreiben. Welches Modell beschreibt nun besser, was man beobachtet?

Wir haben gesehen, dass beide Modelle Vor- und Nachteile haben. Welches Modell ist dann das geeignetste? Nach dem heutigen Stand der Wissenschaft ist die Antwort „weder noch,“ oder besser gesagt: „sowohl als auch“. Jedes der beiden Modelle eignet sich, um bestimmte Beobachtungen brauchbar zu erklären. Ausrechnen kann man mit beiden nicht besonders viel. Erklärt ein Modell Beobachtungen anschaulich ganz brauchbar, so dass man ein 'Gefühl' dafür bekommt, was wohl so ungefähr passieren wird, so nennt man es auch qualitativ. Kann man eine Formel hinschreiben und genau ausrechnen, was passiert, so nennt man das quantitativ. Die beiden obigen Modelle sind in dem Sinne eher qualitativ, reichen also nicht, um zum Beispiel mit einem Computer auszurechnen, was im Detail passiert, schon aber um zu erahnen, dass man etwa die gesalzene Suppe essen kann, dem Chlorgas oder dem Klumpen Natrium aber besser aus dem Wege geht.

Energieniveaus

Es muss wiederholt werden: Die hier beschriebenen Modelle sind nur Modelle. Sie dienen nur dazu, die Phänomene besser zu begreifen. Physik ist letztendlich sehr stark mit Mathematik verbunden. Die Modelle dienen also dazu, die mathematische Beschreibung (die 'gute' Theorie) verständlicher zu machen. Nach dieser mathematischen Beschreibung gibt es in den Atomen Energieniveaus. Das können wir uns so vorstellen: Stellen wir ein Wasserglas schief und lassen wir ein paar Murmeln im Glas gleiten. Immer wieder werden die Murmeln an die (mehr oder weniger) tiefste Stelle gelangen, die sie einnehmen können. Keine Murmel bleibt ja oben im Glas, sie gleiten alle nach unten, außer wenn das Glas ganz voll ist. Man sagt, dass sie die Stelle der negativsten potentiellen Energie einnehmen. Wir werden hier nun den Begriff „tiefste“ dafür benutzen. Mit diesem Beispiel ist es hoffentlich klar, dass nur eine gewisse Anzahl von Murmeln sich in einer gewissen Tiefe des Glases befinden können. Es kann ja nicht sein, dass alle Murmeln, die in ein Glas passen, sich am Boden des Glases befinden! Man spricht also über Niveaus - also in welcher Höhe sich eine Murmel im Glas befindet. Das gleiche passiert in den Atomen. Es gibt Energieniveaus. Sie werden durch die bereits genannte Schrödingergleichung beschrieben oder berechenbar. Diesen Gleichungen nach erreichen die Atome die tiefste Stelle der Energie bei einer Anordnung, die im obigen einfachen Modell in etwa der der vollen Schalen entspricht. Wenn jetzt zwei Atome sich annähern, muss man die Gleichungen lösen und schauen für welchen Zustand die gesamte Energie tiefer ist. Zudem hängt die Lösung vom Abstand der beiden Kerne ab. Bewegen sich die beiden Atome relativ zueinander, so werden die Gleichungen noch schwieriger zu lösen. Für unsere obigen Modelle beschränkt man sich meist darauf zu gucken, bei welchem Abstand die tiefste Energie auftritt und in welchem Zustand. Gibt es nun einen Zustand und einen Abstand, wo die Energie tiefer ist als wenn sich die beiden Atome sehr weit weg voneinander befinden, so ist es möglich, dass die beiden Atome eine Bindung eingehen. Weil die Energie nun niedriger ist als für die beiden einzelnen Atome, müssen diese wie oben bereits angedeutet, diese Energie irgendwie loswerden, damit eine Bindung wirklich stattfindet.

In der Metallbindung ergibt sich die tiefste Energie, wenn alle Atome miteinander ihre äußeren Elektronen teilen. Diese Elektronen können sich daher durch ein ganzes Stück Metall frei bewegen! Das ist das schon erwähnte Metallgitter. In einem Ionengitter hingegen kann so was nicht passieren. Die Elektronen sind in einem engen Bereich an die zugehörigen Kerne gebunden.

Die Theorie, die die Verbindungen beschreibt, heißt Quantentheorie. Sie benutzt tatsächlich den Begriff „Energieniveaus“. Wieviele Elektronen sich in jedem Niveau befinden können, wird durch das Ausschlussprinzip von Pauli beschrieben. Diese Theorie wurde bis heute von Experimenten nicht widerlegt. Praktisch ist es allerdings so, dass es von der mathematischen Formel, der Schrödingergleichung bis zur kompletten Berechnung des Vorganges solch eines Zusammenstoßes von Atomen und der Bildung eines Moleküles eine weiter Weg ist, auf dem viel genähert wird, um dies mit Computern berechnen zu können. Diese genäherten, einfacheren Modelle oder Rechnungen, theoretischen Ergebnisse sind Gegenstand intensiver Verbesserungen - man guckt dabei also, welche Näherungen man rückgängig oder anders machen muß, damit die gerechneten Ergebnisse wirklich gut zu den Experimenten passen.