Einfachbindungen und Doppelbindungen – Sigma und Pi-Bindungen

Damit einzelne Atome in Molekülen die Edelgaskonfiguration erfüllen, bilden die Atome (des Moleküls) miteinander Atombindungen (kovalente Bindungen) aus. Dabei teilen sich zwei Atome ein gemeinsames Elektronenpaar. Teilen sich zwei Atome gemeinsam in einer Verbindung ein Elektronenpaar, so spricht man auch von einer Einfachbindung.

Mehrfachbindung in der Chemie

Zwei Atome in einer Verbindungen können aber auch mehr als ein Elektronenpaar gemeinsam teilen. In diesem Fall sprechen wir von einer Mehrfachbindung (Doppelbindung oder Dreifachbindung,  wie beispielsweise die C=C- oder e C=O-Doppelbindung).

Doppelbindungen sind bei vielen Elementen möglich, die sich zu “Molekülen” verbinden. Stabile Dreifachbindungen sind aber nur bei Kohlenstoff und Stickstoff möglich (im Rahmen der Schulchemie). Daher beschränkt sich dieses Kapitel nur auf Einfachbindungen und Doppelbindungen. Da “Einfach- und Doppelbindungen” im Rahmen der Organischen Chemie vertieft werden, hier im Rahmen der Anorganischen Chemie die wichtigsten Aspekte von Doppel und Dreifachbindungen.

Einfachbindungen und Doppelbindungen in der Chemie

1. Wann liegt eine Mehrfachbindung vor?

Diese Frage lässt sich schnell beantworten, dazu muss man nur die Zahl der bindenden Elektronenpaare durch die Zahl der vorhandenen Atome (einer Verbindung) teilen. Nehmen wir hierzu als Beispiel die bekannte Verbindung Sauerstoffdioxid CO2,

  • benötigte VE:  Sowohl Kohlenstoff als auch Sauerstoff benötigen 8 VE für das Erreichen der Edelgaskonfiguration: 3 x 8 VE = 24 VE
  • vorhandene VE:   4 VE (für das Kohlenstoffatom) und 2 x 6 VE (für die beiden Sauerstoffatome) = 16 VE
  • bindende Elektronen: benötigte VE – vorhandene VE = 24 – 16  = 8 VE => 4 bindende Elektronenpaare

Teilen wir nun die Anzahl der bindenden Elektronenpaare durch die 3 “Atomsorten” in der Verbindung CO2 erhalten wir 4 : 3 = 1,33 (> 1). Daher wissen wir, es liegt mindestens eine Mehrfachbindung vor.

2. Wie entsteht eine Einfachbindung und eine Doppelbindung?

Damit man die Bildung von Einfachbindungen und Doppelbindungen versteht, muss man das sogenannte Orbitalmodell verstanden haben und wie sich Wellenfunktionen überlagern. Daher nur (im Rahmen der Schulchemie) eine einfache Darstellung.

Eine Atombindung bzw. kovalente Bindung zwischen zwei Atomen (in einer Verbindung) bildet sich immer aus, wenn zwei Orbitale von zwei Atomen überlappen. Die Elektronen, die sich in diesen Orbitalen befinden, gehören beiden Atomen gemeinsam gehören.

  • Eine Einfachbindung (auch Sigma-Bindung bezeichnet), entsteht durch das Überlappen zweier s-Orbitale.
  • Doppelbindung (wird in der Regel als Pi-Bindung bezeichnet, was nicht ganz korrekt ist) besteht aus einer Sigma- und einer Pi-Bindung. Die Pi-Bindung bildet sich dabei durch Überlappen zweier p-Orbitale aus

Die sogenannte Elektronenkonfiguration eines Elements lässt sich aus den meisten Periodensystemen ablesen. Beispielsweise lautet die Elektronenkonfiguration für das Wasserstoffatom 1s1 (das Wasserstoffatom verfügt also über 1 Elektron im 1s-Orbital). Hierdurch kann man bereits begründen (ohne die Edelgaskonfiguration zu betrachten), warum Wasserstoff nur eine Einfachbindung ausbilden kann: es kann maximal nur mit einem s-Orbital mit einem Orbital eines anderen Atoms überlappen.

Elektronenkonfiguration eines Elements

Elektronenkonfiguration eines Elements

Gemäß der Überlappung der einzelnen Orbitale (s und p) bei Einfach- bzw. Doppelbindungen werden für diese Bindungen auch die Bezeichnungen Sigma- (Einfachbindung) und Pi-Bindung (Doppelbindung) verwendet, analog dem griechischen Alphabet.

3. Welche Eigenschaften zeigen Einfachbindung und Mehrfachbindung?

Oft hört man, dass Verbindungen mit einer Mehrfachbindung (Doppelbindung und Dreifachbindung) sehr elektronenreich und daher sehr reaktiv sind. Das viele Personen sich hierbei (nur) auf die Organische Chemie beziehen, zeigt sich an folgendem Beispiel: Das Stickstoff-Molekül besteht aus zwei Stickstoff-Atomen, die eine Dreifachbindung miteinander ausbilden. Die Stickstoff-Bindung in dem Molekül “Stickstoff” ist entsprechend elektronenreich, aber als (sehr) reaktiv würde niemand von uns den Stickstoff bezeichnen.

In der Organischen Chemie (also bei Kohlenstoffverbindungen) gilt diese in der Regel, je höher die sogenannte Bindungsordnung, desto reaktiver sind (vergleichbare) Verbindungen. So sind Alkene (mit mindestens einer Doppelbindung) reaktiver als Alkane (nur Einfachbindungen). Und Alkine (mit mindestens einer Dreifachbindung) sind reaktiver als vergleichbare Alkene.

Für Anorganische Verbindungen kann dies aber nicht als Regel verwendet werden. In diesem Fall kann nur ausgesagt werden (dies gilt ebenfalls für Organische Verbindungen)

  • Eine Doppelbindung (oder eine Mehrfachbindung) ist elektronenreicher, als eine vergleichbare Einfachbindung
  • Die Bindungslänge einer Doppelbindung ist kürzer, als eine vergleichbare Einfachbindung.

 

Autor: , Letzte Aktualisierung: 18. November 2020



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Anorganische Chemie