Die kovalente Bindung

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1 Die kovalente Bindung Atome, die keine abgeschlossene Elektronenschale besitzen, können über eine kovalente Bindung dieses Ziel erreichen. Beispiel: 4 H H + C H H C H H Die Wasserstoffatome erreichen damit je 2 Atome in der äußersten Elektronenschale und der Kohlenstoff 8 Elektronen. Beides sind stabile Elektronenkonfigurationen. Die Zahl der von einem Atom ausgehenden Bindungen nennt man seine Wertigkeit. C 4-wertig H 1-wertig 81

2 Die kovalente Bindung Atome können auch durch Mehrfachbindungen zu Molekülen verknüpft werden. Bei Mehrfachbindungen wird der Atomabstand kleiner, weil die Bindungsstärke zwischen den beiden Atomen größer ist. Durch welche Bindungen werden die Moleküle O 2 und N 2 verknüpft? 82

3 Die ionische Bindung Bei der ionischen Bindung wird der Zusammenhalt der Ionen durch elektrostatische Kräfte bewirkt. Dabei ordnen sich die Ionen in einem bestimmten Kristallgitter an. Wird NaCl in Wasser aufgelöst, so liegen neben den Wassermolekülen die Ionen Na + und Cl - vor. Auf Grund ihrer elektrischen Ladungen hat diese Lösung elektrische Leitfähigkeit. 83

4 Lösung einer ionischen und einer Molekülverbindung NaCl in Wasser Enthält neben Na + und Cl - Ionen auch H + und OH - Ionen diese Lösung ist elektrisch leitfähig CH 3 OH in Wasser Enthält keine Ionen daher kann diese Lösung L elektrischen Strom nicht leiten 84

5 Metalle und Halbleiter Im Falle der Aggregation vieler Atome in Feststoffen (wie z.b. bei Metallen) fallen die verschiedenen Energien der Orbitale (Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen) zu kontinuierlichen Energiebändern zusammen. 85

6 Metalle und Halbleiter Die Band-Struktur eines Feststoffes besteht dann aus einem Satz von Energiebändern, die durch Energiezwischenräume (energy gaps) getrennt sind. Basierend auf dieser Band-Struktur, können Materialien in Metalle, Halbleiter und Nichtleiter (Isolatoren) differenziert werden. VB: Valenzband (besetzt) CB: Leitungsband (unbesetzt) E g : energy gap Bei Metallen befinden sich die Valenzelektronen in teilweise gefüllten Bändern. Um elektrisch leitfähig zu sein, müssen sich die Elektronen in leeren en Orbitalen befinden. Bei Metallen ist daher kaum Energie erforderlich um vom unteren, besetzten Band in den oberen, nicht besetzten Teil des Bandes zu gelangen. Bei Nichtleitern liegt die Energieseparation des Valenz/Leitungsbandes in der Größenordnung der Bindungs- energien,, daher leiten sie den elektrischen Strom nicht. 86

7 Halbleiter Halbleiter, speziell Silizium, bilden heute das Herz von Schaltkreisen (integrated( circuits). Bei ihnen sind Valenzband und Leitungsband energetisch etwas getrennt (energy( energy/band gap). Sie haben daher im Vergleich zu Metallen eine weitaus geringere Leitfähigkeit. Bei Zimmertemperatur zeigen nur Silizium, Germanium und Kohlenstoff (in seiner Graphit- Form) eine gewisse Leitfähigkeit. Der Niederländer H. Kamerlingh Onnes entdeckte 1911, dass Hg (Quecksilber) bei Abkühlung auf 4 K (-269 C)( stark leitfähig wurde Supra- leitfähigkeit (superconductivity). Man kann aber die Leitfähigkeit von Halbleitern bei Zimmertemperatur auch dadurch verbessern, dass man sie dotiert (doped( doped) kontrollierte Zugabe kleiner Mengen von Verunreinigungsatomen, die entweder mehr oder weniger Valenzelektronen als das eigentliche Halbleiteratom enthalten. Beispiel: Zugabe von Phosphor hor (5 Valenzelektronen) zu Silizium (4 Valenzelektronen)(Mitte: : n-typ n Halbleiter, mit n für f r negative Ladungen im Leitungsband). Analog: Zugabe von Aluminium (3 Valenzelektronen) zu Silizium (rechts: p-p Typ Halbleiter, mit p für f r positives Loch, weil jetzt Elektronen im Valenzband fehlen). Strom kann aber geleitet werden, indem Elektronen das positive Loch L auffüllen. 87

8 Mögliche Atomanordnungen im Kohlenstoff Im Diamant sind alle Elektronen durch Bindungen zu Nachbar- Kohlenstoffatomen abgesättigt. Im Graphit sind Elektronen zwischen den Schichten z.t. beweglich (auch die Schichten können aneinander abgleiten Bleistift) 88

9 Die Anordnung von Feststoff-Atomen in Kristallgittern 89

10 Die Elementarzellen der 14 Bravais-Gittertypen P: primitiv I: raum/innenzentriert F: flächenzentriert A,B,C: Gitterpunkte in 2 gegenüberliegenden Flächen 90