Entdecke die Magie der Kovalenten Bindung Die Kraft die unsere Welt zusammenhlt

Kovalente Bindungen in Reinkultur liegen vor, wenn zwei Atome, die beide zu wenig Elektronen haben, den Mangel teilen und sich verbinden. Beispiele sind ...

Das Grundprinzip ist immer dasselbe: Die Atome teilen sich den Mangel; dabei geht es ihnen energetisch viel besser, als wenn jedes seinen Elektronenmangel alleine bewältigen muß.

Die

Wie auch immer das im obigen Bild im Detail abläuft – erkennbar ist, daß die Bindung zunächst ungerichtet ist. Nach dem Zusammengehen mit einem Partner ist aber keine Lust für weitere Bindungen mehr vorhanden (oder korrekt gesagt: es gibt keine freien Valenzen mehr).

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Wir können mit nur einemBindungsarm, d. h. wenn dem prospektiven Partner zu seinem Glück nur ein Elektron fehlt, ganz klar keine Kristalle bekommen – das hatten wir schon.

Den für uns spannenden Elementen Si, Ge, Ga, As, N, P (nicht zu vergessen: C) fehlen aber 4 (bzw. 3 oder 5) Elektronen, und deswegen bieten sie geeigneten Partnern auch 4 (bzw. 5 oder 3) Elektronen zum Teilen an.

Sobald ein geeigneter Partner in der Nähe ist – von der eigenen Art oder auch ein sonst passender (aber nicht jeder!) –, reorganisieren sie ihre Elektronenschar so, daß 4 Elektronen sich bevorzugt in den 4 Tetraederrichtungen anordnen und sich in den unten gezeigten Keulen aufhalten, die den schönen Namen

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Mit diesen Keulen haben wir vier klar defiinierte Bindungsarme. Was passiert, wenn sich jetzt viele der Atome zusammentun, hatten wir auch schon; es ist oben nochmals gezeigt. Falls alle Atome von derselben Sorte sind, hätten wir Diamant (=Kohlenstoff C), Silizium (Si) Germanium (Ge) usw.; die Kristallstruktur heißt in allen Fällen Diamantstruktur. Mit zwei Atomsorten wird es die Zinkblendestruktur, und die betrifft (neben dem namensgebenden ZnS) insbesondere GaAs, GaN, InP, GaP, ... – alle ziemlich wichtig für die ET&IT.

Für das Bindungspotential sind jetzt nicht nur alle vier Parameter unbekannt, diese Parameter sind auch noch richtungsabhängig. Soweit es uns hier betrifft können wir für weiterführende Rechnungen also nur konstatieren: Forget it!

Sie kann in mehreren Arten vorkommen. Das müssen wir zwangsweise annehmen, denn reiner Kohlenstoff (C) liegt in der Regel ja nicht als Diamant vor, sondern als Graphit. Das sieht so aus:

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Jedes Kohlenstoffatom hat nur drei koplanare Bindungsarme, kann also nur hexagonale Schichten bilden, wie schon mal prinzipiell gezeigt. Eigentlich kann man damit gar keinen dreidimensionalen Kristall bilden, aber die Schichten halten passend übereinandergelegt auch noch ein bißchen zusammen - über die sogenannten sekundären Bindungen.

Wir erkennen: Mit kovalenten Bindungen kann man einiges veranstalten (z.B. Kohlenstoffketten und damit Sie, verehrte Leserin / Leser). Trotz der ungeheuren möglichen Vielfalt kann man aber ein paar allgemeine Schlüsse ziehen:

Halbleiter sind aber auch kovalent gebunden, müssen aber ja wohl ein paar freie Elektronen haben. Ja - aber nur bei Temperaturen, die hoch genug sind, um per thermischer Energie kBT (oder Lichtenergie hn) einige wenige Elektronen aus ihren Bindungen zu reißen!

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Kovalent gebundene Kristalle sind durchsichtig für Licht mit einer Energie h n, die kleiner ist, als die Energie, die benötigt wird, um Elektronen aus Bindungen zu reißen. So ist es! Diamanten sind durchsichtig für sichtbares Licht, Si ist durchsichtig bis zum nahen IR.

So weit, so gut. Langsam wird aber klar, daß wir, um Halbleiter zu verstehen, doch noch etwas genauer auf die Elektronen in ihren Orbitalen schauen müssen – wir brauchen etwas Quantentheorie!Die kovalente Bindung tritt hauptsächlich bei der Verbindung zweier Nichtmetalle auf. Die an der Bindung beteiligten Atome, verwenden dabei gemeinsam („co“) Außenelektronen („valent“), um dieEdelgaskonfigurationzu erreichen. Aus diesem Grund wird diese Bindungsform

Mit Hilfe der kovalenten Bindung wird letztlich auch der Grund ersichtlich weshalb Wasserstoff in der Natur nicht als einzelnes H-Atom sondern stets als H

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Molekül auftritt (elementarer Wasserstoff). Auf diese Weise können die beiden H-Atome ihre Außenelektronen praktisch gemeinsam verwenden. Damit wird die Edelgaskonfiguration des Heliumatoms mit seinen zwei Außenelektronen erreicht.

Auf (elementares Chlor). Die obrere Abbildung zeigt neben diesen Beispielen auch den kovalenten Zusammenschluss von vier Wasserstoffatomen (4 H) und einem Kohlenstoffatom (C) zu einem Methanmolekül (CH

O) gezeigt, bestehend aus einem Sauerstoffatom (O) und zwei Wasserstoffatomen (2H). Beachte, dass in der Abbildung lediglich die Außenelektronen der Atome abgebildet sind, da nur diese für die chemische Bindung maßgebend sind.

Die Kovalente Bindung

Die in der Animation gezeigte Darstellung der kovalenten Bindungen ist zwar sehr anschaulich, aber in vielen Fällen zu aufwendig bzw. gerade bei Doppelbindungen auch gar nicht mehr möglich. Aus diesem Grund bedient man sich der sogenannten

. Dabei werden die Valenzelektronen der einzelnen Atomen mit einem Punkt neben dem Elementsymbol dargestellt. Bei einem Wasserstoffatom mit lediglich einem Valenzelektron befindet sich somit ein Punkt rechts neben dem H-Symbol. Bei vier Außenelektronen wie bspw. beim Kohlenstoffatom befindet sich hingegen jeweils ein Punkt rechts, links, oberhalb und unterhalb des Elementsymbols. Bei Atomen mit mehr als vier Valenzelektronen kommt jeweils ein Elektron auf den Seiten hinzu. Eine solche Schreibweise wird auch als

Gehen die Atome mit anderen Atomen nun kovalente Bindungen ein, so werden die an der Bindung beteiligten Elektronen mit einen Strich zusammengefasst. Diese Elektronen werden dann im Speziellen auch

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Genannt. Auf dieselbe Weise werden die übrigen Elektronenpaare eines Atoms ebenfalls mit einem Strich verbunden. Dabei handelt es sich jedoch nicht mehr um Bindungselektronen, da diese im Prinzip nichts mit der Bindung an sich zu tun haben. Auf diese Weise erhält man nun eine sehr anschauliche Information über die Bindungsverhältnisse des entstehenden Moleküls.

Sehr deutlich wird dabei auch die Edelgaskonfiguration, die durch die umgebenden Elektronenpaare um ein Element gebildet wird. So zeigt sich in allen abgebildeten Fällen entweder die Edelgaskonfiguration des Heliums mit zwei Außenelektronen (bzw. einem Elektronenpaar) oder die Edelgaskonfiguration mit acht Außenelektronen (bzw. vier Elektronenpaaren). Mit Hilfe dieser symbolischen Schreibweise lassen sich auchDoppelbindungensehr anschaulich darstellen, wie sie bei Kohlenstoffdioxid (CO

Die Valenzstrichformel macht deutlich, dass sich bei kovalenten Bindungen immer mindestens ein Elektronenpaar findet, welches gemeinsam eine chemische Bindung bildet. Aus diesem Grund wird die kovalente Bindung auch

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Mit Hilfe der kovalenten Bindung wird letztlich auch der Grund ersichtlich weshalb Wasserstoff in der Natur nicht als einzelnes H-Atom sondern stets als H

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Auf (elementares Chlor). Die untenstehende Animation zeigt neben diesen Beispielen auch den kovalenten Zusammenschluss von vier Wasserstoffatomen (4 H) und einem Kohlenstoffatom (C) zu einem Methanmolekül (CH

O) gezeigt, bestehend aus einem Sauerstoffatom (O) und zwei Wasserstoffatomen (2 H). Beachte, dass in der unteren Animation lediglich die Außenelektronen der Atome abgebildet sind, da nur diese für die chemische Bindung maßgebend sind.

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Gehen die Atome mit anderen Atomen nun kovalente Bindungen ein, so werden die an der Bindung beteiligten Elektronen mit einen Strich zusammengefasst. Diese Elektronen werden dann im Speziellen auch

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Sehr deutlich wird dabei auch die Edelgaskonfiguration, die durch die umgebenden Elektronenpaare um ein Element gebildet wird. So zeigt sich in allen abgebildeten Fällen entweder die Edelgaskonfiguration des Heliums mit zwei Außenelektronen (bzw. einem Elektronenpaar) oder die Edelgaskonfiguration mit acht Außenelektronen (bzw. vier Elektronenpaaren). Eine solche mit Hilfe von Strichen symbolisierte Bindungsdarstellung wird auch als

) der Fall ist. Die Schreibweise mit der lediglich die Art und die Anzahl der in einem Molekül vorkommenden Atome beschrieben wird (z.B. H

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