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Realschule 9 · Chemie
Ionenbindung, Elektronenpaarbindung und Salze · Elektronenpaarbindung und Wassermolekül

Elektronenpaarbindung, Dipol und Wasserstoffbrücken

Wasser siedet bei 100 °C, Methan schon bei etwa −162 °C – obwohl beide Moleküle klein und ähnlich schwer sind. Eis schwimmt auf dem Wasser, sodass ein See im Winter von oben zufriert und die Fische im Rhein-Baggersee oder im Möhnesee überleben. Warum ist Wasser so besonders? Die Antwort liegt im Bau des Wassermoleküls und in den Kräften zwischen den Molekülen.

Die Elektronenpaarbindung

Bei der Ionenbindung gibt ein Atom Elektronen ab und ein anderes nimmt sie auf. Das geht bei Nichtmetallen nicht, denn beide Partner wollen Elektronen aufnehmen. Die Lösung: Sie teilen sich Elektronen. Jedes Atom steuert mindestens ein Elektron bei, und beide Atome nutzen das entstandene Elektronenpaar gemeinsam. So erreicht jedes Atom den Edelgaszustand (Wasserstoff: 2 Elektronen wie Helium, die anderen: 8 Außenelektronen, die Oktettregel).

Man zeichnet Moleküle als Lewis-Formel: Außenelektronen als Punkte oder Striche. Ein Strich zwischen den Atomen ist ein bindendes Paar, ein Strich am Atom ein freies (nichtbindendes) Elektronenpaar. Ohne die freien Paare spricht man von der Strukturformel.

Lewis-Formeln von Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Methan H–H Wasserstoff H₂ |Ö=Ö| Sauerstoff O₂ |N≡N| Stickstoff N₂ H HCH H Methan CH₄

Die Zahl der Bindungen ergibt sich aus den fehlenden Elektronen: H braucht 1 (eine Bindung), O braucht 2, N braucht 3, C braucht 4. Deshalb hat O₂ eine Doppelbindung (zwei gemeinsame Paare), N₂ eine Dreifachbindung und Kohlenstoff im Methan vier Einfachbindungen zu vier H-Atomen.

Üben★☆☆
Wasserstoff $\text{H}2$ und Sauerstoff $\text{O}2$ sind Moleküle. a) Zeichne die Lewis-Formel von $\text{H}2$. b) Gib an, wie viele Elektronenpaare bei $\text{H}2$ die…

Wasserstoff $\text{H}_2$ und Sauerstoff $\text{O}_2$ sind Moleküle.

  1. a) Zeichne die Lewis-Formel von $\text{H}_2$.
  1. b) Gib an, wie viele Elektronenpaare bei $\text{H}_2$ die Atome verbinden.
  1. c) Erkläre, warum man hier von einer Elektronenpaarbindung spricht.
Lösen
Üben★☆☆
Ein Kohlenstoff-Atom hat vier Außenelektronen, ein Wasserstoff-Atom eines. a) Gib an, wie viele Wasserstoff-Atome sich mit einem Kohlenstoff-Atom im Methanmolekül…

Ein Kohlenstoff-Atom hat vier Außenelektronen, ein Wasserstoff-Atom eines.

  1. a) Gib an, wie viele Wasserstoff-Atome sich mit einem Kohlenstoff-Atom im Methanmolekül verbinden.
  1. b) Zeichne die Strukturformel von Methan $\text{CH}_4$.
  1. c) Begründe, warum jedes Atom die Edelgaskonfiguration erreicht.
Lösen
Üben★★☆
Sauerstoff $\text{O}2$ besitzt eine Doppelbindung, Stickstoff $\text{N}2$ eine Dreifachbindung. a) Zeichne die Lewis-Formeln beider Moleküle. b) Gib an, wie viele…

Sauerstoff $\text{O}_2$ besitzt eine Doppelbindung, Stickstoff $\text{N}_2$ eine Dreifachbindung.

  1. a) Zeichne die Lewis-Formeln beider Moleküle.
  1. b) Gib an, wie viele Elektronen jedes Atom zur Bindung beiträgt, und erkläre, wie viele bindende Elektronenpaare dadurch jeweils entstehen.
  1. c) Begründe, warum diese Bindungen unpolar sind.
Lösen

Das Wassermolekül und polare Bindung

Im Wassermolekül H₂O hat der Sauerstoff zwei Bindungen zu H-Atomen und zwei freie Elektronenpaare. Insgesamt hat er also 2 bindende und 2 nichtbindende Paare. Die vier Paare stoßen sich ab und ordnen sich möglichst weit voneinander an. Deshalb ist das Molekül gewinkelt (Winkel etwa 105°) und nicht gestreckt.

Gewinkeltes Wassermolekül mit Teilladungen und freien Elektronenpaaren O H H freie Paare δ+ δ+ δ−

Nicht alle Atome ziehen die gemeinsamen Elektronen gleich stark an. Sauerstoff und Chlor ziehen stärker als Wasserstoff. Das gemeinsame Paar liegt dann näher am stärker ziehenden Atom: Dieses wird teilweise negativ ($\delta^-$), das andere teilweise positiv ($\delta^+$). Man nennt das eine polare Elektronenpaarbindung. Bei zwei gleichen Atomen (H₂, O₂, N₂, Cl₂) ist die Anziehung gleich: Die Bindung ist unpolar.

Üben★☆☆
Das Wassermolekül $\text{H}2\text{O}$ ist gewinkelt gebaut. a) Zeichne die Strukturformel von Wasser mit den freien Elektronenpaaren am Sauerstoff. b) Gib an, wie viele…

Das Wassermolekül $\text{H}_2\text{O}$ ist gewinkelt gebaut.

  1. a) Zeichne die Strukturformel von Wasser mit den freien Elektronenpaaren am Sauerstoff.
  1. b) Gib an, wie viele bindende und wie viele nichtbindende Elektronenpaare der Sauerstoff hat.
Lösen
Üben★★☆
Im Chlorwasserstoff-Molekül $\text{HCl}$ zieht das Chlor-Atom die Bindungselektronen stärker an als das Wasserstoff-Atom. a) Zeichne die Strukturformel und kennzeichne…

Im Chlorwasserstoff-Molekül $\text{HCl}$ zieht das Chlor-Atom die Bindungselektronen stärker an als das Wasserstoff-Atom.

  1. a) Zeichne die Strukturformel und kennzeichne die Teilladungen $\delta^+$ und $\delta^-$.
  1. b) Erkläre, was man unter einer polaren Elektronenpaarbindung versteht.
  1. c) Nenne ein Molekül mit unpolarer Bindung und begründe die Wahl.
Lösen

Dipolmoleküle

Ein Molekül hat polare Bindungen – ist es deshalb auch ein Dipol? Das hängt vom Bau ab.

  • Wasser ist gewinkelt. Die beiden $\delta^+$-Seiten (H) liegen auf der einen Seite, das $\delta^-$ (O) auf der anderen. Die Ladungsschwerpunkte fallen nicht zusammen: Wasser ist ein Dipol.

  • Kohlenstoffdioxid O=C=O ist linear. Die beiden polaren Bindungen zeigen in entgegengesetzte Richtungen und heben sich auf. CO₂ ist kein Dipol.

Vergleich: CO2 linear und kein Dipol, H2O gewinkelt und Dipol O=C=O δ− δ+ δ− CO₂: kein Dipol O δ− H H δ+ δ+ H₂O: Dipol

Das zeigt ein einfacher Versuch: Hält man einen geladenen Kunststoffstab an einen dünnen Wasserstrahl, wird der Wasserstrahl zum Stab hin abgelenkt. Die Dipolmoleküle richten sich im elektrischen Feld des Stabs aus: Sie drehen sich so, dass die passende Teilladung zum Stab zeigt. Bei positivem Stab zeigt $\delta^-$ hin, bei negativem $\delta^+$ – in beiden Fällen entsteht Anziehung.

Üben★★★
Kohlenstoffdioxid $\text{CO}2$ ist linear gebaut, Wasser ist gewinkelt. Beide Moleküle enthalten polare Bindungen. a) Zeichne beide Moleküle mit den Teilladungen. b)…

Kohlenstoffdioxid $\text{CO}_2$ ist linear gebaut, Wasser ist gewinkelt. Beide Moleküle enthalten polare Bindungen.

  1. a) Zeichne beide Moleküle mit den Teilladungen.
  1. b) Begründe, warum Wasser ein Dipol ist, $\text{CO}_2$ aber nicht.
  1. c) Erkläre, warum ein dünner Wasserstrahl von einem geladenen Kunststoffstab abgelenkt wird.
Lösen

Wasserstoffbrücken

Zwischen den Dipolen im Wasser wirken Anziehungskräfte: Das $\delta^+$-Wasserstoff-Atom eines Moleküls wird vom $\delta^-$-Sauerstoff-Atom (mit freiem Elektronenpaar) eines Nachbarmoleküls angezogen. Das ist eine Wasserstoffbrücke. Sie ist viel schwächer als eine Elektronenpaarbindung innerhalb des Moleküls, aber stärker als die Anziehung zwischen unpolaren Molekülen.

Drei Wassermoleküle mit zwei Wasserstoffbrücken H O H H O H H O H δ+ δ+ δ− δ− Wasserstoffbrücke Wasserstoffbrücke

Wasserstoffbrücken entstehen, wenn ein H-Atom an O (oder N, F) gebunden ist und ein freies Elektronenpaar eines Nachbarn es anzieht. Die Folgen:

  • Hoher Siedepunkt: Um Wasser zu verdampfen, müssen die Brücken getrennt werden. Das braucht viel Energie: 100 °C. Methan (unpolar, keine Brücken) siedet schon bei etwa −162 °C.

  • Eis schwimmt: In Eis ist jedes Molekül über Brücken in ein regelmäßiges, lockeres Gitter mit Hohlräumen eingebaut. Im flüssigen Wasser rücken die Moleküle enger zusammen. Eis hat deshalb die geringere Dichte (0,92 g/cm³ gegenüber 1,00 g/cm³) und schwimmt. Ein See friert von oben zu; die Eisschicht isoliert, darunter bleibt flüssiges Wasser, und Fische und Pflanzen überleben den Winter.

Üben★★☆
Zwischen Wassermolekülen bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen. a) Zeichne drei Wassermoleküle so, dass zwei Wasserstoffbrücken sichtbar sind. b) Erkläre, wie eine…

Zwischen Wassermolekülen bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen.

  1. a) Zeichne drei Wassermoleküle so, dass zwei Wasserstoffbrücken sichtbar sind.
  1. b) Erkläre, wie eine Wasserstoffbrücke entsteht.
  1. c) Begründe, warum Wasser mit $100\ ^\circ\text{C}$ einen viel höheren Siedepunkt hat als Methan mit etwa $-162\ ^\circ\text{C}$.
Lösen
Üben★★★
Eis schwimmt auf Wasser. Die Dichte von Eis beträgt etwa $0{,}92\ \text{g/cm}^3$, die von flüssigem Wasser $1{,}00\ \text{g/cm}^3$. a) Erkläre mit Wasserstoffbrücken den…

Eis schwimmt auf Wasser. Die Dichte von Eis beträgt etwa $0{,}92\ \text{g/cm}^3$, die von flüssigem Wasser $1{,}00\ \text{g/cm}^3$.

  1. a) Erkläre mit Wasserstoffbrücken den Aufbau von Eis.
  1. b) Begründe, warum Eis eine geringere Dichte hat.
  1. c) Erkläre, was dies für einen zufrierenden See im Winter bedeutet.
Lösen

Ionenbindung und Elektronenpaarbindung im Vergleich

Zur Erinnerung: Bei der Bildung von Natriumchlorid gibt jedes Natrium-Atom sein Außenelektron an ein Chlor-Atom ab. Es entstehen positiv geladene Natrium-Ionen Na⁺ und negativ geladene Chlorid-Ionen Cl⁻, die beide den Edelgaszustand haben. Diese Ionen ziehen sich in alle Richtungen an und ordnen sich abwechselnd zu einem regelmäßigen Ionengitter an: Jedes Na⁺ ist von sechs Cl⁻ umgeben und umgekehrt. Moleküle gibt es im Kochsalz nicht.

Ionenbindung (z. B. NaCl) Elektronenpaarbindung (z. B. H₂O)
Beteiligte Teilchen Metall- und Nichtmetall-Atome → Ionen Nichtmetall-Atome
Vorgang Elektronen werden abgegeben und aufgenommen Elektronenpaare werden gemeinsam genutzt
Zusammenhalt Anziehung zwischen positiven und negativen Ionen im Ionengitter gemeinsame Elektronenpaare im Molekül
Zwischen den Teilchen starke Ionenbindung nur schwache Kräfte (Dipolkräfte, Wasserstoffbrücken)
Schmelzpunkt hoch (NaCl: 801 °C) niedrig (Wasser: 0 °C)

Beim Schmelzen von NaCl müssen die starken Anziehungskräfte zwischen den Ionen im Gitter überwunden werden, das braucht viel Energie. Beim Schmelzen von Eis werden nur die schwachen Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen gelockert. Weitere Beispiele: Ionenbindung – Kaliumchlorid, Calciumoxid; Elektronenpaarbindung – Methan, Ammoniak, Kohlenstoffdioxid.

Üben★★★
Vergleiche Natriumchlorid und Wasser. a) Vergleiche Ionenbindung und Elektronenpaarbindung in Bezug auf beteiligte Teilchen und Art des Zusammenhalts. b) Begründe, warum…

Vergleiche Natriumchlorid und Wasser.

  1. a) Vergleiche Ionenbindung und Elektronenpaarbindung in Bezug auf beteiligte Teilchen und Art des Zusammenhalts.
  1. b) Begründe, warum $\text{NaCl}$ einen Schmelzpunkt von $801\ ^\circ\text{C}$ hat, Wasser aber von $0\ ^\circ\text{C}$.
  1. c) Nenne ein weiteres Beispiel für einen Stoff mit Ionenbindung und eines mit Elektronenpaarbindung.
Lösen

Zurück zum Anfang: Wasser siedet hoch, weil zwischen den Dipolmolekülen Wasserstoffbrücken wirken; Eis schwimmt, weil diese Brücken ein lockeres Gitter bilden.

Auf einen Blick

  • Eine Elektronenpaarbindung entsteht durch gemeinsame Elektronenpaare zwischen Nichtmetall-Atomen; es entstehen Moleküle mit Edelgaszustand.

  • Lewis-Formel: Striche für bindende und freie Elektronenpaare; Doppel- und Dreifachbindung bei O₂ und N₂.

  • Ziehen die Atome unterschiedlich stark, ist die Bindung polar ($\delta^+$, $\delta^-$); bei gleichen Atomen ist sie unpolar.

  • Ein Molekül ist ein Dipol, wenn es polare Bindungen hat und sich diese wegen des Baus nicht aufheben (H₂O ja, CO₂ nein).

  • Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen erklären den hohen Siedepunkt und die geringere Dichte von Eis.

Los geht's! 3 Aufgaben der Stufe mittel in diesem Abschnitt
★★☆ Im Chlorwasserstoff-Molekül $\text{HCl}$ zieht das Chlor-Atom die Bindungselektronen…★★☆ Sauerstoff $\text{O}2$ besitzt eine Doppelbindung, Stickstoff $\text{N}2$ eine…★★☆ Zwischen Wassermolekülen bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen. a) Zeichne drei…
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