Elektronegativität

Hallo und herzlich willkommen. Heute geht es um das Thema Elektronegativität. Nach dem Film wirst du wissen, was Elektronegativität ist; wie man sie anhand des Periodensystems abschätzen kann und warum ihre Kenntnis so nützlich ist. Du solltest zu diesem Zeitpunkt bereits wissen, was das Periodensystem der Elemente, genannt PSE, ist. Du solltest wissen, wie ein Atom aufgebaut ist und weiterhin, was Schalen und Orbitale sind. Zunächst einmal zur Definition des Begriffes Elektronegativität. Am leichtesten versteht man das wohl anhand eines einfachen Beispiels. Elektronegativität ist ein Maß dafür, wie stark ein Atom in einer Bindung ein Bindungselektronenpaar an sich zieht. Zwei Menschen ziehen an einem Seil, in die entgegengesetzte Richtung natürlich. Das Seil stellt in diesem Fall das Bindungselektronenpaar dar und die beiden Menschen die beiden Atome, die aneinander gebunden sind. Der eine der beiden Ziehenden, in diesem Fall der Rote, erweist sich als stärker und zieht das Seil fast ganz zu sich hinüber. Bezogen auf unser Beispiel wäre er das Atom mit der höheren Elektronegativität und der andere, der Blaue, der mit der niedrigeren Elektronegativität. Da stellt sich folgerichtig natürlich die Frage: Woher weiß ich denn, ob ein Atom eine hohe oder eine niedrige Elektronegativität besitzt? Die einfache wie ebenso platte Antwort darauf lautet: Ich schaue in ein Buch, in dem die Elektronegativitäten der verschiedenen Elemente aufgeführt sind. Mache ich das, dann finde ich zu jedem Element unter der Rubrik Elektronegativität eine Zahl. Bei Kohlenstoff ist es 2,5; bei Sauerstoff 3,5; bei Berilium 1,5; bei Flour 4,1; bei Francium 0,9. Je höher diese Zahl, desto höher ist die Elektronegativität des betreffenden Elements. Es handelt sich dabei um eine Zahl ohne Einheit. Woher kommen eigentlich diese interessanten Zahlen? Nun, sie wurden experimentell bestimmt, wobei es verschiedene Methoden gibt, diese Zahlen zu bestimmen, weshalb sich die Elektronegativitäten der Elemente in den einzelnen Büchern auch leicht voneinander unterscheiden. Bei Flour findet man häufig zum Beispiel einfach nur 4,0 anstatt 4,1. Diese Unterschiede sind aber sehr gering und das soll uns hier auch nicht weiter kümmern. Wichtig ist an dieser Stelle höchstens noch zu sagen, dass Flour das Element ist, das die höchste Elektronegativität besitzt und Francium jenes mit der niedrigsten Elektronegativität im Periodensystem. In der Praxis sieht es so aus, dass man vielleicht nicht immer ein Buch zur Hand hat, in dem die Elektronegativitäten aufgeführt sind, oder gar ein Periodensystem, in dem die Elektronegativitäten stehen, sondern dass man sich anders behelfen muss. Tatsächlich ist es relativ leicht, abzuschätzen, ob man ein Element mit hoher oder niedriger Elektronegativität hat, allein indem man sich das Periodensystem anschaut. Hier noch einmal die beiden Elemente mit der höchsten und der niedrigsten Elektronegativität. Flour hat die höchste und Francium hat die niedrigste. Schaut man sich deren Lage im Periodensystem an, dann sieht man, dass Flour ganz weit oben rechts ist und Francium ganz weit unten links. Und daraus kann man auch schon die ganz richtige Schlussfolgerung ziehen: Die Elektronegativität nimmt von links unten nach rechts oben zu. Das wirft natürlich sofort die logische Frage auf: Wie? Flour ist zwar einigermaßen weit rechts oben, aber Helium ist doch noch viel weiter rechts oben. Und warum hat Flour die höchste Elektronegativität und nicht Helium? Würden wir in einem Buch nachschauen, welche Elektronegativität Helium hat, würden wir gar nichts finden. Tatsächlich hat Helium überhaupt keine Elektronegativität. Wie kommt das? Nun, Helium gehört zu den sogenannten Edelgasen, also jener VIII. Hauptgruppe, die ganz rechts im Periodensystem steht und Edelgase besitzen gar keine Elektronegativität. Flour ist somit jenes Element, was am weitesten rechts oben steht und kein Edelgas ist. Hmm, warum? Warum zum Beispiel nimmt die Elektronegativität im Periodensystem der Elemente von links nach rechts zu? Das oben und unten betrachten wir hier erst einmal nicht. Wir können das anhand der 2.Periode erklären, also jener Elemente, die in der 2.Zeile des Periodensystems stehen. Das sind Lithium, Berilium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Flour und Neon. In derselben Reihenfolge haben diese Elemente die Elektronegativitäten 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,1; 3,5; 4,1 und gar nichts bei Neon. Wie erklärt sich diese Entwicklung? Da hilft es auf die Anzahl der Valenzelektronen der jeweiligen Elemente zu schauen, also jener Elektronen, die in der äußersten Schale sind. Bei Lithium ist das 1, beim Berilium 2, beim Bor 3, beim Kohlenstoff 4 und so weiter, bis zum Neon, wo wir 8 Valenzelektronen haben. Wie man sieht, steigt mit der Anzahl der Valenzelektronen die Elektronegativität. Ausnahme Neon, welches gar keine Elektronegativität besitzt. Man kann diesen Zusammenhang so verstehen, dass man sich sagt, meinetwegen anhand des Lithium, welches sagt, na ja, gut, ich habe gerade mal 1 Valenzelektron, mir fehlen noch 7. Das schaffe ich eh nicht. Das Kohlenstoffatom hat immerhin schon 4 Valenzelektronen und es fehlen ihm noch 4, um die Edelgasschale zu komplettieren. Und es sagt sich: Na ja, könnte ja was werden. Es besitzt also eine gewisse Hoffnung, diese 4 Elektronen zu bekommen und deshalb besitzt es auch eine gewisse Elektronegativität. Dem Flour dann, dem fehlt gerade noch mal 1 Valenzelektron und das Flouratom sagt dann: Wow, mir fehlt nur noch 1 Valenzelektron, nur noch 1 Valenzelektron. Ich brauche noch 1 Elektron, dann bin ich komplett. Gebt mir eins, gebt mir eins. Kurzum, das Flour geifert geradezu nach einem neuen Elektron. Das macht seine hohe Elektronegativität aus. Und wenn wir uns nun das Neon anschauen, dann hat das Neon schon alle Elektronen, die es braucht. Es möchte keine mehr, es braucht keine mehr. Es hat überhaupt keinen Hunger mehr nach neuen Elektronen. Also besitzt es keine Elektronegativität. Man kann einfach sagen: Die Elektronegativität nimmt im Periodensystem von links nach rechts zu, weil von links nach rechts auch die Zahl der Valenzelektronen steigt. Je weniger Elektronen bis zur Komplettierung der Valenzschale fehlen, umso höher ist die Elektronegativität. Edelgase besitzen keine Elektronegativität, da sie eine mit 8 Elektronen bereits komplettierte Valenzschale besitzen. Nächste Frage: Warum nimmt die Elektronegativität im Periodensystem von oben nach unten ab? Das lässt sich anhand der sogenannten Halogene beschreiben, der VII. Hauptgruppe, also Flour, Chlor, Brom, Jod, Astat. Wie man sieht, nimmt deren Elektronegativität von oben nach unten ab. Warum das so ist, kann man verstehen, wenn man sich die Atomstruktur dieser Elemente jeweils anschaut. Wir wollen uns hier auf zwei Elemente beschränken, nämlich Flour und Chlor, die ersten beiden Halogene. Die Elektronenstruktur Flours sieht so aus, dass die 1.Schale voll besetzt ist mit 2 Elektronen. In der 2. Schale befinden sich 7 Elektronen, die auch gleichzeitig diese 7 Valenzelektronen sind, von denen wir gesprochen haben. 1,2,3,4,5,6,7. Schauen wir uns mal das Chloratom an, dann haben wir um den Kern herum zunächst die voll besetzte 1.Schale, dann die voll besetzte 2.Schale und in der 3.Schale, die in diesem Fall die Valenzschale ist, also die äußerste Schale, die 7 Valenzelektronen. 1,2,3,4,5,6,7. Der Unterschied zu unserem Flour und dem Chlor liegt folglich darin, dass das Chlor eine so genannte innere Schale mehr hat als das Flour. Flour hat eine Schale, eine innere Schale und Chlor hat zwei innere Schalen. Tatsache ist, dass dadurch der Abstand der Valenzelektronen oder der Valenzschale vom Kern größer ist, beziehungsweise die Abschirmung der Valenzschale durch diese inneren Schalen vom Kern ist ebenfalls stärker. Dadurch sinkt aber die Anziehungskraft des Kerns,der ja positiv geladen ist, auf die negativ geladenen Elektronen und dadurch sinkt dann auch die Elektronegativität. Man kann also sagen, dass die Elektronegativität im Periodensystem von oben nach unten deshalb abnimmt, weil bei Elementen höherer Perioden der Kern durch die besetzten, inneren Schalen zunehmend abgeschirmt wird. Die Anziehungskraft des Kerns auf die äußeren Elektronen ist dadurch geringer. Auf eine Sache möchte ich noch hinweisen: Man sieht an der Farbgebung in dem hier abgebildeten Periodensystem, dass die Elemente unten links eine andere Farbe haben, als die oben rechts. Die Elemente unten links nennt man die Metalle und die Elemente oben rechts sind die Nichtmetalle.Dazwischen gibt es eine kleine Zone der Elemente Bor, Silizium, Germanium, Arsen, Antimon,Tellur, die man als die sogenannten Halbmetalle bezeichnet. Man kann also sagen,Elemente mit niedriger Elektronegativität nennt man Metalle und Elemente mit hoher Elektronegativität und die Edelgase auch, bilden dann die Nichtmetalle. Und wie man hier auch sieht, gibt es im Periodensystem anzahlmäßig viel, viel, viel mehr Metalle, als Nichtmetalle. Nun die berechtigte Frage: Ist die Elektronegativität überhaupt wichtig? Und darauf die ganz laute Antwort: Ja, sie ist total wichtig! Streng genommen kann man sogar sagen, dass man anhand der Elektronegativität die halbe Chemie erklären kann. Ein Beispiel dafür wäre die Abschätzung der Polarität eines Moleküls. Der Sauerstoff hat eine höhere Elektronegativität als der Wasserstoff und zieht deshalb die Bindungselektronenpaare an sich heran. Deshalb ist das Wassermolekül ein polares Molekül, ein Bipol. Weil Elektronen negativ geladen sind und die ganzen Elektronen nur mehr Sauerstoff brauchen, ist der Sauerstoff partiell negativ geladen und der Wasserstoff positiv geladen. Das Wassermolekül H2O ist dabei ein klassisches Beispiel. Ein weiteres Beispiel für die Wichtigkeit der Elektronegativität wäre die Abschätzung von Materialeigenschaften von verschiedenen Verbindungen,zum Beispiel das Natriumchlorid, also Kochsalz. Es besteht aus Natrium und Chlor, die einen sehr großen Unterschied in der Elektronegativität aufweisen. Aus diesem Grund hat sich zwischen diesen beiden eine sogenannte ionische Verbindung herausgebildet und ionische Verbindungen besitzen noch einmal ganz besondere Materialeigenschaften, zum Beispiel die, dass sie hart und spröde sind und einen hohen Schmelzpunkt besitzen und dass sie in festem Zustand isolierend sind, also keinen elektrischen Strom leiten. Allein die Kenntnis der Elektronegativität der beiden Elemente, die die Verbindung bilden, lässt uns diese Voraussage machen. Ein 3.Beispiel, diesmal aus der organischen Chemie, besteht in der Abschätzung der Reaktivität einer Verbindung, hier demonstriert anhand des Aceton-Moleküls. Wir finden darin ein Kohlenstoffatom, das mit einer Doppelbindung an ein Sauerstoffatom gebunden ist. Der Sauerstoff besitzt eine viel höhere Elektronegativität als der Kohlenstoff und zieht folglich die beiden Bindungselektronenpaare an sich heran. Dadurch ist der Sauerstoff etwas negativ geladen und der Kohlenstoff positiv geladen. Möchte man dieses Molekül nun mit einem so genannten Nucleophil reagieren lassen, also irgendeinem Teilchen, das positive Ladung als Reaktionspartner bevorzugt, dann ist klar, dass dieses Nucleophil das Kohlenstoff angreifen  wird und nicht das Sauerstoffatom. Solche Überlegungen sind dann wichtig, wenn man zum Beispiel abschätzen möchte, welches Produkt entsteht. So, wir haben gerade gelernt, was die Elektronegativität ist; wie man sie anhand des Periodensystems der Elemente abschätzen kann und außerdem, warum ihre Kenntnis überhaupt nützlich ist. Vielen Dank fürs Zuschauen. Tschüss und bis zum nächsten Mal.