Fehlende Elektronen und Strukturbildung bei Elementverbindungen

Betrachten wir das Periodensystem, so erkennen wir, daß die interessanten nicht-metallischen Elemente sich in 4 Klassen einteilen lassen
Die Halogene (und noch Wasserstoff) mit einem fehlenden Elektron: F, Cl, Br, J.
Die Chalkogene mit zwei fehlende Elektronen: O, S, Se, Te, Po.
Die Stickstoffgruppe mit drei fehlenden Elektronen: N, P, As, Sb.
Und schließlich die so wichtige Kohlenstoffgruppe mit vier fehlenden Elektronen: C, Si, Ge, Sn.
Das Prinzip, sich bei der Elementkristallbildung den Mangel zu teilen, erzwingt nun bei Verbindungen aus nur einer Sorte dieser Atome spezifische Strukturen, die kurz gestreift werden sollen.

Halogenide

Die Halogen-Atome brauchen genau einen Partner um, von einem Atom aus gesehen, volle Schalen durch Orbitalüberlapp zu erreichen. Sie werden "punktförmige", oder besser ausgedrückt, "nulldimensionale" Aggregate bilden - simple Moleküle wie Cl2.
Wir erwarten also, daß ein simples Gas aus zweiatomigen Molekülen vorliegen wird. Wir erhalten folgendes schematische Bild.
Nur bei sehr tiefen Temperaturen werden die Moleküle sich durch sekundäre Bindungen zu Festkörpern zusammentun.
     

Chalkogenide

Bei Chalkogeniden müssen sich immer zwei Atome an das Bezugsatom anlagern. Da jedes Atom das Bezugsatom sein kann, entsteht damit eine Kette; eine eindimensionale Struktur.
Wer seine Chemie kennt, weiß, daß diese Kettenstruktur bei den Chalkogeniden vorliegt. Da auch zwischen den Ketten (schwache) Kräfte wirken, werden wir einen feste Körper mit niedrigem Schmelzpunkt erwarten. Da die Bindung gerichtet ist, wird die Kette keine willkürliche Gestalt haben, sondern vielleicht so aussehen wie unten gezeigt.
Da Ketten sich gegenseitig behindern erwarten wir, daß sich schon bei mittleren Temperaturen Festkörper bilden, die wohl leicht amorph zu bekommen sein werden.

Drei- und vierwertige Elemente

Das Bildungsprinzip ist nun erkennbar. Bei den Elementen mit drei fehlenden Elektronen müssen sich Verbindungen in der Fläche bilden. Wir erhalten z.B. die folgende flächige Struktur, bei der jedes Atom drei Bindungen zu den Nachbaratomen hat.
Die Atome müssen dabei aber nicht alle in einer Ebene liegen.
Ein Festkörper bildet sich, indem man die Ebenen stapelt. Das geht am besten, wenn man sie systematisch aufeinanderlegt, d.h. einen Kristall bildet.
Bei vier fehlenden Elektronen ist jedes Atom mit vier anderen verbunden. Wenn dabei größtmögliche Symmetrie vorliegen soll, sitzt das Bezugsatom im Mittelpukt eines Tetraeders.
Da jedes Atom Bezugsatom sein kann, erhalten wir einen definierten dreidimensionalen Körper mit ganz spezifischer Struktur, nämlich einen Kristall im sogenannten Diamantgitter.
Und zwar immer - nur bei sehr hohen Temperaturen wird es gelingen, die Bindungen wieder zu lösen.
Das wollen wir hier aber nicht weiter betrachten, sondern in Kapitel 3.3 "Wichtige Gitter und Kristalle"


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© H. Föll (MaWi 1 Skript)