Elektronegativität – Abhängigkeit von der Stellung im Periodensystem der Elemente

Hallo, liebe Freundinnen und Freunde der Chemie. Schön, dass ihr mich weiter begleitet, auf meinem Weg durch das Periodensystem der Elemente. Heute gibt es bereits die Folge 14. Die 8. Hauptgruppe, die Edelgase, brauchen wir dafür nicht. Das ist auch einzusehen, weil, diese Verbindungen bilden nur schwer, schwer, schwer oder gar keine chemischen Verbindungen. Wir wollen uns heute über - hopp, da sind sie wieder, Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon. Wir wollen uns heute unterhalten über eine Eigenschaft, die von oben nach unten abnimmt und von links nach rechts steigt. Also, liebe Edelgase, ihr geht, weil ihr diese Eigenschaft überhaupt gar nicht besitzt. Es geht in dieser Folge um die Elektronegativität eines chemischen Elementes. Bevor wir einsteigen und über die Elektronegativität sprechen, möchte ich diesen Begriff in einer kurzen Definition vorstellen, zumindest für die von euch, die damit noch nicht so vertraut sind. Elektronegativität. Die Elektronegativität ist eine Zahl, die angibt, wie stark die Elektronen einer chemischen Bindung von einem Atom angezogen werden. Es gibt verschiedene Wissenschaftler, die dafür Zahlen entwickelt haben. Wir werden hier die Zahlenwerte, die Linus Pauling erschaffen hat, verwenden. Diese Zahlen sind Relativwerte und demzufolge einheitslos. Ich möchte einmal diese Zahlen für die 1. Hauptgruppe notieren, damit ihr euch einen ersten Überblick verschafft. Wasserstoff: 2,1; Lithium 1,0; Natrium 0,9; Kalium 0,8; Rubidium 0,8; Cäsium 0,7 und Francium 0,7. Wozu benötigt man diesen Begriff der Elektronegativität? Ich möchte es an einem Beispiel für 2 Elemente der 1. Hauptgruppe zeigen: H (2,1) und Na (0,9). Es gibt tatsächlich eine chemische Verbindung aus diesen beiden Elementen. Man nennt sie Natriumhydrid (NaH). Ein Natriumatom ist mit einem Wasserstoffatom verbunden. Wir wissen aus den vorigen Videos, dass Natrium und Wasserstoff als Elemente der 1. Hauptgruppe jeweils über 1 Außenelektron verfügen. Und diese beiden Außenelektronen sind in der Lage, eine chemische Bindung einzugehen. Sie bilden ein Elektronenpärchen. Um das zu veranschaulichen, ziehe ich einen kleinen Kreis um beide Elektronen. Wasserstoff hat die Elektronegativität 2,1. Natrium nur 0,9. Das heißt, das Wasserstoffatom zieht das Elektronenpaar viel stärker an sich heran. Um das zu veranschaulichen, wählen wir eine etwas andere Schreibweise. Wir zeigen, dass am Wasserstoffatom ein Elektronenüberschuss vorliegt durch ?-. Das ?+ am Natriumatom bedeutet Elektronenmangel. So seltsam es auch klingen mag, aber diese Verbindung Natriumhydrid hat salzartige Eigenschaften. Es ist ein grauer, fester Stoff. Welche Konsequenzen hat dies? Man sieht das an einer chemischen Reaktion des Natriumhydrids mit Wasser. Wir wissen, dass Wasser in ganz geringer Menge dissoziiert, und zwar in Protonen H+ und Hydroxidionen OH-. Die Protonen mit ihrer positiven Ladung reagieren mit dem negativ geladenen Wasserstoffteilchen und bilden entsprechend elementaren Wasserstoff, nämlich ein Wasserstoffmolekül. Die negativ geladenen Hydroxidionen OH- vereinigen sich mit dem positiv geladenen Natriumteilchen und es entsteht die Base Natriumhydroxid.  Nachdem wir die 1. Hauptgruppe hinsichtlich der Elektronegativitäten der Elemente betrachtet haben, möchte ich jetzt gerne eine Periode vorstellen. Die 1. Periode mit Wasserstoff ist zu kurz, denn Helium scheidet aus. Dort können wir nichts vergleichen. Ich nehme daher die 2. Periode, beginnend mit dem chemischen Element Lithium. Ich vervollständige die 2. Periode: Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Fluor. Neon, habe ich schon erwähnt, benötigen wir nicht. Warum ist das so? Naja, ganz einfach noch einmal zur Erinnerung: Neon bildet keinerlei chemische Verbindungen, es ist, chemisch gesehen, oberfaul und daher können wir uns von der Betrachtung dieses Edelgases befreien. Ich befreie mich nun auch noch von der Definition und schließlich von der Überschrift. Dann können wir mit unserer Untersuchung fortfahren. Die Elektronegativitäten der Elemente der 1. Periode lauten: Lithium: 1,0; Beryllium: 1,5; Bor: 2,0; Kohlenstoff: 2,5; Stickstoff: 3,0; Sauerstoff: 3,5 und Fluor: 4,0. Wir wählen nun eine für unsere Untersuchung interessante Verbindung, und zwar aus den chemischen Elementen Wasserstoff mit der Elektronegativität 2,1 und Kohlenstoff mit der Elektronegativität 2,5. Diese Elemente bilden die chemische Verbindung, einige wissen das von euch sicher schon, Methan (CH4). Ich schreibe das Kohlenstoffatom in das Zentrum und ordne die Wasserstoffatome darum regelmäßig an. Ein Kohlenstoffatom steht in der 4. Hauptgruppe, das wissen wir, hat 4 Außenelektronen. Ein Wasserstoff steht in der 1. Hauptgruppe, hat demzufolge 1 Außenelektron. Wasserstoffatom und Kohlenstoffatom bilden zusammen jeweils 1 Elektronenpaar, 1 chemische Bindung. Das deute ich an, indem ich die Elektronenpärchen durch einen kleinen Kreis einfasse. Der Unterschied zwischen den Elektronegativitäten der beteiligten Elemente ist nicht sehr groß. 2,5-2,1=?EN, ich meine damit die Differenz der Elektronegativitäten, ist gleich 0,4. Die Bindungselektronen sind folglich gleichmäßig zwischen den Reaktionspartnern verteilt. In einem solchen Fall spricht man von kovalenter Bindung. Das hat natürlich Konsequenzen. So ein Methanmolekül ist relativ selbstständig und nicht an andere Methanmoleküle gebunden. Daher ist Methan ein Gas. Soweit zu einem ersten Beispiel. Betrachten wir jetzt eine andere Situation, und zwar die beiden chemischen Elemente Lithium mit der Elektronegativität von 1,0 und Fluor mit einer Elektronegativität von 4,0. Beide bilden eine wohlbekannte chemische Verbindung: Lithiumfluorid. Ein Lithiumatom ist mit einem Fluoratom verbunden. Naja, hier dreht es dem Chemiker fast den Magen um, wir müssen das aber tun. Denn in der Mitte, dieses Elektronenpärchen, was die chemische Bindung ausmacht, gibt es eigentlich nur auf dem Papier. Warum ist das so? Ganz klar, Fluor zieht ganz stark dieses Bindungselektronenpaar, das ich noch mit einem kleinen Kreischen hier einkreisen werde, an. Unterstützt wird diese Aussage durch die Differenz der Elektronegativitäten: 4,0-1,0=3,0. Das ist beachtlich größer als die 0,4 vom Methan. Daher findet man das Elektronenpaar fast ausschließlich beim Fluoratom. Aus dem Fluratom wird ein Fluoridion, welches eine Edelgaskonfiguration des Edelgases Neon annimmt. Das Lithiumatom verliert sein Außenelektron und bekommt die Edelgaskonfiguration des Edelgasatoms Helium. Welche Konsequenzen hat nun die Bildung solcher Ionen, das sind ja elektrisch geladene Teilchen? Naja, ein Lithiumfluorid-Teilchen alleine gibt es nicht, sondern viele, viele Trilliarden sind einander verbunden, über coulombsche Wechselwirkungskräfte. Positiv und Negativ ziehen sich an. Es bildet sich ein Ionengitter und das liefert eine feste Verbindung, ein typisches anorganisches Salz. Wir sind nun schon bereits beim Verallgemeinern. Könnt ihr euch erinnern, wie wir das Periodensystem in Metalle und Nichtmetalle unterteilt haben? Schaut euch noch einmal diese Denkhilfe an. Was bedeutet Blau? Welche Elemente befinden sich auf diesem Gebiet, in diesem Dreieck? Richtig, das sind Metalle. Während im roten Dreieck hauptsächlich die Nichtmetalle zu finden sind. Was kann man über die Größe der Elektronegativitäten von Metallen sagen? Versucht es einmal zu formulieren. Vielleicht so: 1. Metalle haben niedrige Elektronegativitätswerte. Nun sollte es nicht schwer sein, eine Regel für Nichtmetalle zu formulieren. Vielleicht so: 2. Nichtmetalle haben hohe Elektronegativitätswerte. Wie schaut es aus in den Hauptgruppen? Wir nehmen eine Hauptgruppe von oben nach unten. Könnt ihr eine Regel formulieren? Vielleicht so: 3. Die Elektronegativitäten fallen in den Hauptgruppen von oben nach unten. Ich habe das hier einmal mit diesem gelben Dreieck angedeutet, das oben breit ist und unten spitz. Wo es breit ist, ist die Elektronegativität hoch, wo die Spitze ist, ist die Elektronegativität gering. Wie verändern sich die Elektronegativitäten innerhalb einer Periode? Könnt ihr einen Merksatz formulieren? Vielleicht so: 4. Die Elektronegativitäten steigen in den Perioden von links nach rechts. Und das haben wir tatsächlich gezeigt. Wenn wir die Elektronegativitäten in der 2. Periode betrachten, so sehen wir einen kontinuierlichen Anstieg. Lithium 1,0 bis Fluor 4,0. Die Aussage unter 4. möchte ich wieder durch ein langes, spitzes Dreieck veranschaulichen. Dort wo die Spitze ist, links, ist die Elektronegativität am geringsten und rechts, wo das Dreieck eine gewisse Breite hat, haben wir die höchste Elektronegativität. Die von uns gefundenen Aussagen sind nicht nur für die 1. Hauptgruppe und die 2. Periode richtig. Sie sind richtig für das gesamte Periodensystem der Hauptgruppen. Machen wir uns also daran und füllen wir unser Periodensystem auf. Dritte Periode: Natrium, Magnesium, Aluminium, Silicium, Phosphor - mach mal ein bisschen - Schwefel - komm aus der Knete - Chlor. Und nun vervollständigen wir die 2. Hauptgruppe. Beryllium, Magnesium steht, Kalzium, Strontium, Barium, Radium. Wir vervollständigen die 3. Hauptgruppe: Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium. Wir vervollständigen die 4. Hauptgruppe: Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Die fehlenden Elemente der 5. Hauptgruppe: Arsen, Antimon und Bismut. Die 6. Hauptgruppe: Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur und Polonium. Und schließlich die 7. Hauptgruppe: Fluor, Chlor, Brom, Iod, Astat. Und das ist ein schönes Abschlussbild. Interpretieren und verstehen müsst ihr es schon selber. Was ihr vielleicht lernen könntet, das wären die Elektronegativitäten der 2. Periode von Lithium bis Fluor: 1; 1,5; 2; 2,5 - ach, das ist schon Mathematik. Da wollte ich keine Videos mehr machen. Ich wünsche euch alles Gute bis zum nächsten Mal, Tschüss.