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Bindungslänge und Bindungsenergie

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Die Autor*innen
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André Otto
Bindungslänge und Bindungsenergie
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Grundlagen zum Thema Bindungslänge und Bindungsenergie

Inhalt

Bindungslänge und Bindungsenergie – Chemie

Die Verbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen hat eine andere Bindungslänge als jene zwischen zwei Wasserstoffatomen. Doch was ist eine Bindungslänge überhaupt? Und was ist die Bindungsenergie? Das schauen wir uns in diesem Text an. Außerdem lernst du Beispiele für Verbindungen mit ihrer Bindungslänge und -energie kennen.

Was ist die Bindungslänge? – Definition

Einfach erklärt ist die Bindungslänge der Abstand zwischen den Atomkernen zweier Atome, die eine Bindung eingegangen sind und sich somit auf einem Energieminimum befinden. Weißt du auch noch, welche Bindungen zwei Atome eingehen können? Wenn zwei Atome sich miteinander verbinden, spricht man auch von einer Atombindung oder kovalenten Bindung. Hast du denn auch eine Vorstellung davon, wie groß eine solche Atombindung ist? Sehr, sehr klein. Beispielsweise haben zwei Kohlenstoffatome $(\ce{C-C})$ eine Bindungslänge von $\pu{153 pm}$. Schauen wir uns mal an, was das bedeutet:

$\pu{1 pm = 0,001 nm = 10^{-12 } m = 0,000 000 000 001 m}$ $\pu{153 pm = 0,153 nm = 153*10^{-12 } m = 0,000 000 000 153 m}$

Es gibt noch eine, in der amerikanischen Literatur genutzte, Einheit: Angström.

$\pu{1pm = 0,01 \overset{°}{A}} \rightarrow \pu{1 \overset{°}{A} = 10^{-10 } m} $ $\pu{153pm = 1,53 \overset{°}{A}}$

Also wie lang ist eine $\ce{C-C}$-Bindung nun? Eine Verbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen hat eine Länge von $\pu{1,53 \overset{°}{A}}$.

Bindungslänge Kohlenstoffverbindung

Weitere Beispiele für Bindungslängen von Einfachbindungen und Doppelbindungen kannst du in der folgenden Tabelle sehen. Die Bindungslänge ist in der Einheit Angström angegeben:

Bindung Bindungslänge in $\pu{ \overset{°}{A} = 10^{-10} m}$
Fluor $\ce{F–F}$ 1,44
Chlor $\ce{Cl-Cl}$ 1,99
Brom $\ce{Br–Br}$ 2,28
Iod $\ce{I–I}$ 2,67
Kohlenstoff $\ce{C–C}$ 1,53
Kohlenstoff $\ce{C=C}$ 1,35
Fluorwasserstoff $\ce{H–F}$ 0,92
Salzsäure (Chlorwasserstoff) $\ce{H–Cl}$ 1,27
Bromwasserstoff $\ce{H–Br}$ 1,41
Iodwasserstoff $\ce{H–I}$ 1,61

Die Bindungslängen sind dabei von der Atomgröße, der Bindungspolarität und der Bindungsordnung abhängig. Als Richtgröße für die Bindungslänge kann dabei der Wert 100 Pikometer gleich 0,1 Nanometer dienen. Es ist anzumerken, dass bei den Mehrfachbindungen diese einfachen Regeln so nicht gelten. Mit dem Bindungsgrad nimmt die Bindungsenergie zu und die Bindungslänge (Kernabstand) ab.

Und wie bestimmt oder berechnet man die Bindungslängen zwischen zwei Atomen? Die Bindungslängen kann man experimentell ermitteln oder mittels der Schrödingergleichung berechnen. Beispiele für Verfahren zu Bestimmung der Bindungslänge sind

  • die Röntgenstrukturanalyse bei Feststoffen,
  • die Schwingungsspektren und
  • quantenchemische Rechnungen durch Lösen der Schrödingergleichung.

Was ist die Bindungsenergie? – Definition

Einfach erklärt ist die chemische Bindungsenergie die Energie, die man benötigt, um eine kovalente Bindung homolytisch zu trennen. Es ist also die Mindestenergie, die du aufwenden musst, um eine Verbindung von beispielsweise zwei Kohlenstoffatomen zu trennen. Die Bindungsenergie ist die Differenz zwischen der Energie des einzelnen Atoms und des Moleküls. Diese Energie muss aufgewendet werden, um ein Molekül zu spalten, oder, anders gesagt, es ist die Energie, die frei wird, wenn sich ein Molekül bildet. Eine andere Bezeichnung für die Bindungsenergie ist Dissoziationsenergie. Weißt du, was bei der Dissoziation passiert? Die Ionengitterstruktur wird in wässriger Lösung aufgelöst.

Betrachten wir nun das Chlormolekül. Wenn man eine Verbindung von zwei Chloratomen $(\ce{Cl-Cl})$ trennen möchte, damit zwei Chlorradikale $(\ce{Cl.})$ entstehen, braucht man eine Energie von $\pu{242 kJ//mol}$. Und was sagt nun die Bindungsenergie aus? Sie sagt aus, dass du, um ein Mol Chlormoleküle aufzutrennen, eine Energie von $\pu{242 kJ}$ benötigst.

Aufgepasst: Bei dem Prozess entstehen Radikale und keine Ionen.

Und wie kann man die Bindungsenergie ermitteln? Auch die Bindungsenergie kann man berechnen. Für die Berechnung der Bindungsenergie braucht man, wie bei der Berechnung der Bindungslänge, die Formel für die Schrödingergleichung.

Beispiele für Bindungsenergien verschiedener kovalenter Verbindungen kannst du hier in der Tabelle sehen:

Bindung Bindungsenergie in $\pu{kJ//mol}$
Aminogruppe $\ce{N-H}$ 390
Hydroxidgruppe $\ce{O-H}$ 465
Sulfhydrylgruppe $\ce{S-H}$ 340
Kohlenstoff $\ce{C-C}$ 350
Kohlenstoff $\ce{C=C}$ 620
Kohlenstoff $\ce{C#C}$ 815
Kohlenstoffmonoxid $\ce{C-O}$ 355
Kohlenstoffmonoxid $\ce{C=O}$ 715
Cyanidgruppe $\ce{C-N}$ 295
Cyanidgruppe $\ce{C#N}$ 780
Stickstoff $\ce{N-N}$ 160
Stickstoff $\ce{N=N}$ 420
Kohlenstoff-Fluor $\ce{C-F}$ 440
Kohlenstoff-Chlor $\ce{C-Cl}$ 330
Kohlenstoff-Brom $\ce{C-Br}$ 275
Kohlenstoff-Iod $\ce{C-I}$ 240

Und welche Bindung ist am stärksten? Die Van-der-Waals-Kräfte sind elementare Wechselwirkungen zwischen unpolaren und polaren Teilchen. Diese sind energetisch niedriger als die Ionenbindung und die kovalente Bindung. Die Bindungsenergien der Van-der-Waals-Kräfte, der kovalenten Bindung und der Ionenbindung kannst du hier sehen:

  • Van-der-Waals-Kräfte: bestmögliche Bindungsenergie von ca. $\pu{5 kJ//mol}$
  • Kovalente Bindung: bestmögliche Bindungsenergie von ca. $\pu{150-595 kJ//mol}$
  • Ionenbindung: bestmögliche Bindungsenergie von ca. $\pu{600-2000 kJ//mol}$

Eine Bindung ist umso stärker, je mehr Energie bei ihrer Bildung frei wird. Umgekehrt gilt auch: Je stärker eine Bindung ist, umso mehr Energie muss aufgewendet werden, um sie zu lösen. Außerdem gilt, je stärker eine Bindung ist, umso weniger reaktiv ist die Verbindung.

Als Bindungsenergie wird bei Ionenverbindungen die Gitterenthalpie angegeben, das ist die Enthalpie, die aufgewendet werden muss, um einen festen Kristall in die Gasphase zu überführen, in der die Ionen frei beweglich sind.

Die Gitterenthalpie hängt von der Größe der beteiligten Ionen ab: Je größer die Ionen, desto kleiner ist die Gitterenergie, da die Anziehungskräfte mit zunehmender Entfernung der positiven Kerne von der negativen Elektronenhülle des Bindungspartners abnehmen.

Bindungslänge und Bindungsenergie – Zusammenfassung

In der folgenden Abbildung kannst du dir den Zusammenhang zwischen Bindungslänge und Bindungsenergie bildlich dargestellt ansehen:

Bindungslänge und Bindungsenergie Diagramm

Die Bindungslänge wird in der Regel in der Einheit Angström, Nanometer oder Pikometer angegeben. Die kleinste Bindungslänge hat das Wasserstoffatom. Diese beträgt nur $\pu{74 pm}$. Du kannst dich in der Regel an eine mittlere Bindungslänge von $\pu{100pm}$ richten.

Die Bindungsenergie gibt an, wie viel Energie du brauchst, um ein Mol einer Bindung aufzutrennen. Bei der Trennung entstehen dann Radikale. Du kannst dir als mittlere Bindungsenergie eine Größe von $\pu{400 kJ//mol}$ merken.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zu dem Thema Bindungslänge und Bindungsenergie, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Bindungslänge und Bindungsenergie

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Bindungslängen und Bindungsenergie. Als Vorkenntnisse solltet ihr klare Vorstellungen über die Atombindung und über Moleküle mitbringen. In diesem Video möchte ich euch die Begriffe Bindungslänge und Bindungsenergie erklären. Ich möchte euch über die Begrifflichkeit Klarheit verschaffen. Außerdem möchte ich euch die dazugehörigen Richtgrößen nennen. Außerdem möchte ich euch den Zusammenhang zwischen der Bindungslänge und einer euch bereits bekannten Größe veranschaulichen. Das Video habe ich in 6 Abschnitte unterteilt: 1. Bindungslänge 2. Bindungsenergie 3. einige Beispiele 4. Richtgrößen 5. Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen 6. Zusammenfassung 1. Bindungslänge. Die Bindungslänge ist einer der wichtigsten Begriffe der Strukturchemie. Sie ist eng verknüpft mit dem Begriff der Atombindung. Nehmen wir an, wir haben 2 Atome, zwischen denen eine Atombindung ausgebildet wurde, und wir betrachten nun die Atomkerne dieser Atome. Für uns ist nun der Abstand zwischen den Zentren der beiden Atomkerne interessant. Wir wissen, dass Atomkerne im Vergleich zum Atom sehr klein sind. Daher können wir die Atomkerne getrost als Punkte betrachten. Der Abstand zwischen den beiden Atomkernen wird als Bindungslänge bezeichnet. Wenn wir als Atome jeweils ein Kohlenstoffatom haben, so beträgt der Abstand zwischen beiden Atomen 153 Pikometer. Somit habe ich schon eine gängige Einheit für eine Bindungslänge genannt, nämlich das Pikometer. Eine weitere gängige Einheit ist das Nanometer. Zur Erinnerung: 1 Pikometer sind 10^-12 m und 1 Nanometer sind 10^-9 m. Demzufolge ist der Abstand zwischen beiden Kohlenstoffatomen 0,153 Nanometer. Die Einheit Angström wird in der amerikanischen Literatur noch gerne benutzt. Der Abstand zwischen beiden Kohlenstoffatomen beträgt 1,53 Angström. Praktisch alle chemischen Bindungen liegen im Bereich von 0,07-0,3 Nanometer, das entspricht 70-300 Pikometer. Bindungslängen kann man sowohl experimentell als auch rechnerisch-theoretisch bestimmen. Ein wichtiges Verfahren für die Bestimmung von Bindungslängen ist die Röntgenstrukturanalyse, die immer dann eingesetzt wird, wenn man über Feststoffe verfügt. Alternativ dazu können Bindungslängen aus Schwingungsspektren gewonnen werden. In immer stärkerem Maße werden die Bindungslängen durch quantenchemische Rechnungen gewonnen. Dabei wird die Schrödingergleichung auf einem möglichst hohem Niveau gelöst.  2. Bindungsenergie. Die Bindungsenergie hatte noch andere alternative Bezeichnungen, eine der wichtigsten ist der Begriff Dissoziationsenergie. Ein Chlormolekül kann durch die Zufuhr einer bestimmten Energiemenge in die beiden Chlorradikale zerfallen. Diese Reaktion wird als homolytische Dissoziation bezeichnet. Die Bindungsenergie trägt genauer die Bezeichnung Bindungsenthalpie. Es ist jene Enthalpie, die notwendig ist, damit 1 mol des Chlormoleküls in die entsprechenden Chlorradikale zerfällt. Und das sind 242 Kilojoule pro mol. Somit ist die Bindungsenergie jene Energie, die benötigt wird, um eine kovalente Bindung homolytisch zu spalten. Bei diesem Prozess entstehen Radikale, keine Ionen. 3. Einige Beispiele. Ich möchte einige wichtige Beispiele für Bindungslängen und die entsprechenden Bindungsenergien anführen. Dafür habe ich einige Moleküle ausgewählt, für die die Bindungslängen und Bindungsenergien mit recht guter Genauigkeit bestimmt wurden. Die Moleküle sind: H2 - Wasserstoff, H2O - Wasser, NH3 - Ammoniak und CH4 - Methan. Die entsprechenden Bindungen sind H-H, O-H, N-H und C-H. Für die einzelnen Bindungen wurden folgende Bindungslängen gemessen: 0,074 nm, 0,096 nm, 0,100 nm und 0,107 nm. Alle Bindungsenergien bewegen sich im Bereich von etwa 400 kJ/mol. H-H: 436 Kilojoule pro mol, O-H: 463 Kilojoule pro mol, N-H: 391 Kilojoule pro mol und C-H: 413 Kilojoule pro mol. Man sieht sehr leicht, dass eine scheinbar umgekehrte Korrelation mit den Bindungslängen nicht stattfindet. Offensichtlich spielen noch andere Größen hier eine Rolle. 4. Richtgrößen Es gibt sehr viele chemische Moleküle und daher auch eine Vielzahl chemischer Bindungen. Daher gibt es auch eine große Anzahl verschiedener Bindungslängen. Wenn wir uns an den vorigen Abschnitt erinnern, so können wir folgendes formulieren: Als Richtgröße für die Bindungslänge kann der Wert 100 Pikometer gleich 0,1 Nanometer und für die Bindungsenergie der Wert 400 Kilojoule pro mol dienen. Es ist anzumerken, dass bei den Mehrfachbindungen diese einfachen Regeln nicht mehr so gelten. Bei den Energien zum Beispiel sind höhere Werte zu erwarten. 5. Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen. Wir wollen in diesem letzten Abschnitt die Bindungslänge zwischen 2 Kohlenstoffatomen gegen die Bindigkeit abtragen. Die Bindungslängen liegen im Bereich von etwa 120 bis etwas über 150 Pikometer. Die Bindigkeiten überstreichen einen Bereich von 1 bis 3. Bei einer Bindigkeit von 1 wird eine Bindungslänge von 153 Pikometer beobachtet, bei einer Bindigkeit von 2 von 132 Pikometer und schließlich bei einer Bindigkeit von 3, von 120 Pikometer. Die entsprechende Kurve zeigt eine leichte Krümmung. Wir erinnern uns: Bindigkeit 1 entspricht einer Einfachbindung, wie wir sie bei den Alkanen kennen. Bindigkeit 2 entspricht einer Doppelbindung, wie wir sie bei den Alkenen kennen. Bindigkeit 3 entspricht einer Dreifachbindung, wie wir sie bei den Alkinen kennen. Die Bindungslänge im Benzolmolekül beträgt 139 Pikometer. Der Schnittpunkt mit der Kurve ergibt eine Bindigkeit von 1,67. Das ist exakt der Wert den Dewar bestimmt hat. Wir konstatieren: Die Bindungslänge verhält sich umgekehrt zur Bindigkeit. 6. Zusammenfassung Die Bindungslänge zwischen 2 Atomen ist der Abstand zwischen ihren Atomkernen. Die Einheiten sind Nanometer, Pikometer, Angström. Die kleinste Bindungslänge findet man im Wasserstoffatom von 74 Pikometer, es sind auch längere Bindungslängen bekannt, bis etwa 300 Pikometer. Als Richtgröße für Bindungslängen kann man sich merken: 100 Pikometer. Wenn ein Molekül wie das Chlormolekül zu den entsprechenden Radikalen zerfällt, erhält man eine weitere wichtige Größe. Man benötigt für diese homolytische Reaktion 242 Kilojoule pro mol. Dabei handelt es sich um die Bindungsenergie. Als Richtgröße wollen wir uns 400 Kilojoule pro mol merken. Bindungslänge und Bindungsenergie können durch verschiedene Verfahren bestimmt werden. Ein experimentelles Verfahren ist die Röntgenbeugung, auch Röntgenstrukturanalyse genannt. Außerdem kann man diese Größen aus Schwingungsspektren gewinnen. Theroetisch-rechnerisch sind Bindungsenergie und Bindungslänge durch Lösen der Schrödingergleichung zugänglich. Diese Verfahren bezeichnet man als quantenchemisches Rechnen. Bei gleichen Atomen steht die Bindungslänge im umgekehrten Verhältnis zur Bindigkeit. So fällt die Bindungslänge zwischen 2 Kohlenstoffatomen von der Einfach- über die Doppelbindung zur Dreifachbindung. Die Bindungslänge im Benzolmolekül liegt zwischen der der Einfach- und Doppelbindung. Somit ist die Bindungslänge, roh gesprochen, etwa umgekehrt proportional zur Bindigkeit - gleiche beteiligte Atome vorausgesetzt.  Ich danke für die Aufmerksamkeit und wünsche alles Gute. Auf Wiedersehen.

2 Kommentare

2 Kommentare
  1. @Omsifian,
    man kann die Bindungsenergien auch relativ aufwendig berechnen, jedoch werden sie meist per Messung bestimmt. Es gibt daher Tabellen mit relativ genauen Werten für die Bindungsenergien und auch die Bindungslängen für jede einzelne Bindungsart.

    Von Karsten S., vor fast 4 Jahren
  2. Ein tolles Viedeo,
    Kann man diese Bindungsenergie denn auch berechnen oder wie bekommt man die raus?

    Von Omsifian, vor fast 4 Jahren

Bindungslänge und Bindungsenergie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Bindungslänge und Bindungsenergie kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Begriff Bindungsenergie.

    Tipps

    Woraus besteht eine Bindung?

    Lösung

    Atome gehen Bindungen ein, wenn es für sie einen energetischen Vorteil bringt. Dabei gehen ihre Valenzelektronen, also die Elektronen auf der Außenschale, die Bindungen ein. Jedes Atom steuert genau ein Elektron zur Bindung bei. Eine Bindung besteht demnach aus zwei Elektronen.

    Die Bindungsenergie ist nun also die Energie, die benötigt wird, um diese Bindung homolytisch zu trennen. Homolytisch bedeutet, dass sie „in der Mitte“ geteilt wird, also jedes beteiligte Atom wieder sein einzelnes Elektron erhält. Dieses einzelne Elektron macht die Chloratome zu Radikalen.

  • Bestimme die Bindungslänge in folgenden Molekülen.

    Tipps

    Bei größeren Atomradien nimmt auch die Bindungslänge zu.

    Kohlenstoff hat den größten Atomradius unter den gegebenen Beispielen.

    Lösung

    Die Bindungslänge gibt den Abstand zwischen zwei Atomen in einem Molekül an. Wenn der Atomradius der beteiligten Atome nun sehr groß ist, muss auch die Bindungslänge (wenn Einfachbindungen verglichen werden) größer werden. Die Atomradien in pm:

    • $H$: 37
    • $O$: 66
    • $N$: 70
    • $C$: 77
    Es ist hier erkennbar, dass die Atomradien innerhalb einer Periode von links nach rechts fallen.

    Da die Atome in den Beispielen immer eine Einfachbindung zu Wasserstoff eingehen, lässt sich also schon durch die Größe der Atome eine gewisse Abschätzung der Bindungslängen machen.

  • Rechne die angegebenen Längen um.

    Tipps
    • $1~pm = 10^{-12}~m$
    • $1~Å = 10^{-10}~m$
    • $1~nm = 10^{-9}~m$
    Lösung

    Die Bindungslängen in Molekülen werden meist in pm angegeben. Aber auch Angaben in nm oder Å sind üblich. Es ist daher wichtig, die Größenordnungen zu kennen und die Einheiten ineinander umrechnen zu können. Ein Nanometer ist dabei 1000 mal so groß wie ein Pikometer. Sie verhalten sich also zueinander wie Meter und Millimeter. Ein Millimeter ist wiederum 1.000.000 mal größer als ein Nanometer. Die Bindungslängen liegen etwa in einem Bereich von 0,15 nm. Damit wird klar, wie unvorstellbar klein Moleküle und die darin vorhandenen Bindungslängen sind.

    Damit man nicht immer mit so großen Zahlen jonglieren muss, werden die Umrechnungen oft mit Zehnerpotenzen ausgedrückt.

    • $1~pm = 10^{-12}~m$
    • $1~Å = 10^{-10}~m$
    • $1~nm = 10^{-9}~m$

  • Gib die C–C-Bindungslängen in folgenden Kohlenstoffverbindungen an.

    Tipps

    Die Bindigkeit ist indirekt proportional zur Bindungslänge.

    Lösung

    Je mehr Bindungen sich zwischen zwei Atomen ausbilden, desto kürzer wird auch ihr Abstand. Wenn die Bindigkeit also größer wird, wird die Bindungslänge kleiner.

    Im Ethanmolekül liegt eine Einfachbindung zwischen den Atomen vor. Die Bindungslänge beträgt 153 pm. Im Ethen liegt eine Doppelbindung vor, das lässt sich auch an der Bindungslänge erkennen, die mit 132 pm deutlich kürzer ist. Im Ethin beträgt die Bindungslänge durch die Dreifachbindung dann nur noch 120 pm.

    Im Diamant (siehe Abbildung) ist Kohlenstoff tetraedrisch von weiteren Kohlenstoffatomen umgeben und es bildet sich ein sogenannter Adamantan-Käfig. Im Diamant ist die Bindungslänge zwischen den Kohlenstoffatomen mit 153 pm genauso lang wie im Ethan .

  • Erkläre, wie sich Bindungslänge und Bindigkeit zueinander verhalten.

    Tipps

    $Bindungslänge \approx \frac {1}{Bindigkeit} $

    Lösung

    Je mehr Bindungen sich zwischen zwei Atomen ausbilden, desto näher rücken sie zusammen. Wird also die Bindigkeit erhöht, bilden sich Doppelbindungen oder Dreifachbindungen, dann wird die Bindungslänge zwischen den beiden Atomen immer kürzer.

  • Bestimme die korrekte Strukturformel zu folgenden Daten.

    Tipps

    Aus wie vielen C-Atomen besteht das Molekül?

    Es ist egal, von welcher Seite aus die Kohlenstoffatome nummeriert werden.

    Lösung

    Das gesuchte Molekül ist das But-1-en.

    Es sind vier Kohlenstoffatome gegeben. Die ersten beiden Bindungslängen liegen im Bereich einer Einfachbindung. Die letzte Bindung liegt mit 133 pm im Bereich einer C–C-Doppelbindung. Damit handelt es sich also um ein Buten. Die Doppelbindung ist endständig, also ist es ein But-1-en. Es ist dabei egal, von welcher Seite aus das Molekül betrachtet wird, da es gedreht werden kann.

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