Der Begriff '''Quantenphysik''' fasst alle [[Phänomen]]e und Effekte zusammen, die darauf beruhen, dass bestimmte [[physikalische Größe|Größen]] nicht jeden beliebigen Wert annehmen können, sondern nur festgelegte [[diskret]]e Werte (siehe [[Quantelung]]). Dazu gehören auch der [[Welle-Teilchen-Dualismus]], die [[Determinismus|Nichtdeterminiertheit]] von physikalischen Vorgängen und deren unvermeidliche Beeinflussung durch die Beobachtung. Quantenphysik umfasst alle [[Theorie]]n, [[Modell]]e und Konzepte, die auf die [[Quantenhypothese]] von [[Max Planck]] zurückgehen. Plancks Hypothese war um 1900 notwendig geworden, weil die [[klassische Physik]] z. B. bei der Beschreibung des [[Licht]]s oder des Aufbaus der [[Materie (Physik)|Materie]] an ihre Grenzen gestoßen war.
Die '''chemische Bindung''' verbindet [[Atom]]e oder [[Ion]]en zu [[Molekül]]en bzw. [[Chemische Verbindung|chemischen Verbindungen]], die [[Energie|energetisch]] stabiler sind als die getrennten Bestandteile. Sie beruht auf der [[Wechselwirkung]] der [[Elektron]]en aus der äußersten [[Elektronenschale]] der an der Bindung beteiligten Atome.
Die Quantenphysik ist neben der [[Relativitätstheorie]] der zweite Grundpfeiler der modernen Physik. Besonders deutlich zeigen sich die Unterschiede zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik im mikroskopisch Kleinen (z. B. Aufbau der [[Atom]]e und [[Molekül]]e) oder in besonders „reinen“ Systemen (z. B. [[Supraleitung]] und [[Laser]]strahlung). Aber auch ganz alltägliche Dinge wie die chemischen oder physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe ([[Farbe]], [[Ferromagnetismus]], [[elektrische Leitfähigkeit]] usw.) lassen sich nur quantenphysikalisch verstehen.
== Grundlagen ==
Insbesondere gehören aber auch zwei Teilbereiche der [[Physik#Theoretische Physik|theoretischen Physik]] zur Quantenphysik: die [[Quantenmechanik]] und die [[Quantenfeldtheorie]]. Erstere beschreibt das Verhalten von [[Quantenobjekt]]en unter dem Einfluss von [[Feld (Physik)|Feld]]ern. Letztere behandelt zusätzlich die Felder als Quantenobjekte. Die Vorhersagen beider Theorien stimmen außerordentlich gut mit den Ergebnissen von Experimenten überein. Ihre einzige bekannte Schwäche besteht darin, dass sie sich nach dem gegenwärtigen Stand des Wissens nicht mit der – ebenfalls gut bestätigten – [[Allgemeine Relativitätstheorie|allgemeinen Relativitätstheorie]] vereinbaren lassen.
Atome bestehen nach heutiger [[naturwissenschaft]]licher Sicht aus einem elektrisch positiv geladenen [[Atomkern]] und einer Hülle aus negativ geladenen [[Elektron]]en. Als Teilchen mit halbzahligen [[Spin]] sind sie nach den Gesetzen der [[Quantentheorie]] sogenannte [[Fermionen]], die dem [[Pauli-Prinzip]] unterliegen, nach dem die Elektronen der Hülle nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen dürfen. Sie können sich daher nicht im untersten, energieärmsten Niveau zusammendrängen, sondern müssen sich auch auf höhere, ausgedehntere und energiereichere [[Elektronenschale]]n bzw. [[Atomorbital]]e verteilen. Sie bedingen dadurch die relativ große räumliche Ausdehnung der Elektronenhülle, die den Atomkern um das 20.000- bis 150.000-fache übertrifft. Die Elektronen der äußersten Schale, der sogenannten [[Valenzschale]], bestimmen die [[Chemie|chemische Eigenschaften]] eines Atoms und seine Stellung im [[Periodensystem der chemischen Elemente]].
== Theorien der Quantenphysik ==
[[Datei:H2O 2D labelled.svg|mini|150px|Bindungslängen und Bindungswinkel des Wassermoleküls (H<sub>2</sub>O)]]
=== Frühe Quantentheorien ===
Die Valenzschale erreicht ihren energetisch stabilsten Zustand, wenn sie mit der maximal möglichen Zahl von Elektronen vollständig aufgefüllt ist. Das ist aber nur bei den [[Edelgase]]n der Fall, die entsprechend reaktionsträge sind, da sie ihren stabilsten Zustand bereits erreicht haben. Atome mit unvollständig aufgefüllter Valenzschale können sich dadurch stabilisieren, dass sie solange von ihren Bindungspartnern Elektronen aufnehmen oder an diese abgeben, bis sie eine vollkommen abgeschlossene Außenschale erreicht haben. Die so aneinander gebunden Atome erreichen damit gemeinsam ihren stabilsten, energieärmsten Zustand. Nach der von [[w:Gilbert Newton Lewis|Gilbert Newton Lewis]] und [[w:Walther Kossel|Walther Kossel]] 1916 formulierten '''Edelgasregel''' sind chemische Verbindungen besonders stabil, wenn die daran beteiligten Atome die im [[Periodensystem]] nächstgelegene '''Edelgaskonfiguration''' ausbilden können. Mit Ausnahme des [[Helium]]s haben die Edelgase 8 Außenelektronen. Nach der darauf basierenden '''Oktettregel''' sind Verbindungen besonders stabil, wenn die gebundenen Atome dadurch 8 Elektronen haben und dadurch der Edelgaskonfiguration entsprechen.
Schon vor Entwicklung der Quantenmechanik gab es Entdeckungen, die zwar die Quantisierung bestimmter Größen [[Postulat|postulieren]] und manchmal auch mit der Welle-Teilchen-Dualität begründen, jedoch keine tieferen Einsichten in die zugrundeliegenden Mechanismen erlauben. Insbesondere lieferten diese Theorien keine Vorhersagen, die über ihren entsprechenden Gegenstand hinausgingen. Im [[Englische Sprache|englischen Sprachgebrauch]] werden diese Vorläufer der Quantenmechanik als ''old quantum theory'' bezeichnet.
Um eine chemische Bindung wieder zu spalten, muss eine entsprechende '''Bindungsenergie''' aufgewendet werden, die man meist in [[Joule]] pro [[Mol]] angibt. Die '''Bindungslänge''' ergibt sich aus dem von [[Atomkern]] zu Atomkern gemessene Abstand der aneinander gebundenen Atome. Bei [[kristall]]inen [[Feststoff]]en kann sie experimentell durch [[Kristallstrukturanalyse]] ermittel werden und liegt bei kovalenten Bindungen je nach den beteiligten Atomsorten typischerweise zwischen etwa 75 und 250 [[Pikometer|pm]] (1 pm = 10<sup>−12</sup> m). Auf diesem Weg lassen sich auch die '''Bindungswinkel''' zwischen den einzelnen Bindungen eines [[Molekül]]s ermitteln. Bindungslängen und Bindungswinkel bestimmen die [[Molekülgeometrie]], die sich durch entsprechende [[Strukturformel]]n veranschaulichen lässt.
Im Jahr 1900 entwickelte Max Planck eine Formel zur Beschreibung der gemessenen [[Frequenz]]verteilung der von einem [[Schwarzkörper]] emittierten Strahlung, das [[Plancksches Strahlungsgesetz|Plancksche Strahlungsgesetz]], wobei er von der Annahme ausging, dass der schwarze Körper aus [[Oszillator]]en mit diskreten [[Energieniveau]]s besteht.<ref name="Planck1900">M. Planck: ''Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum'', Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft 2(1900) Nr. 17, S. 237–245, Berlin (vorgetragen am 14. Dezember 1900).</ref> Planck betrachtete diese Quantelung der [[Energie]] also als Eigenschaft der Materie und nicht des Lichtes selbst. Das Licht war nur insofern betroffen, als Licht in seinem Modell immer nur in bestimmten Portionen Energie mit Materie austauschen konnte, weil in der Materie nur bestimmte Energieniveaus möglich seien. Dabei fand er zwischen der Energieportion <math>\Delta E</math> und der Frequenz <math>\nu</math> des Lichts den Zusammenhang <math>\Delta E = h \nu</math>.
=== Elektronegativität ===
[[Albert Einstein]] erweiterte diese Konzepte und schlug im Jahr 1905 eine Quantisierung der Energie des Lichtes selbst vor, um den [[Photoelektrischer Effekt|photoelektrischen Effekt]] zu erklären.<ref name="Einstein1905">A. Einstein: ''Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt'', Annalen der Physik 17 (1905), S. 132–148. ([http://www.zbp.univie.ac.at/meldungen/2005-01-31/02/einstein1.pdf PDF]).</ref> Der photoelektrische Effekt besteht darin, dass Licht bestimmter Farben [[Elektron]]en aus [[Metalle|Metalloberflächen]] herauslösen kann. Dabei kann der Lichtstrahl an jedes einzelne Elektron nur einen immer gleichen Energiebetrag abgeben, der zudem proportional ist zur Frequenz, also einer Eigenschaft des Lichtes. Daraus schloss Einstein, dass die Energieniveaus nicht nur innerhalb der Materie gequantelt sind, sondern dass das Licht ebenfalls nur aus bestimmten Energieportionen besteht, den ''[[Photon|Lichtquanten]]''. Dieses Konzept ist mit einer reinen Wellennatur des Lichtes nicht vereinbar. Es musste also angenommen werden, dass das Licht weder eine klassische Welle noch ein klassischer Teilchenstrom ist, sondern sich mal so, mal so verhält.
Eine relatives Maß für die Fähigkeit von Atomen, Elektronen zur Auffüllung ihrer Valenzschale an sich zu ziehen, bietet das 1932 von [[w:Linus Pauling|Linus Pauling]] (1901-1994) eingeführte Konzept der '''Elektronegativität''' (kurz: '''EN'''; Formelzeichen <math>\chi</math>). Atome mit nahezu vollständig gesättigter Valenzschale, wie etwa die [[Halogene]], nehmen sehr leicht Elektronen auf und haben eine entsprechend hohe Elektronegativität. Atome mit nur wenigen Außenelektronen, wie etwa die [[Alkalimetalle]], geben diese leicht an ihre Bindungspartner ab und haben daher eine geringe Elektronegativität.
1913 verwendete [[Niels Bohr]] das Konzept gequantelter Energieniveaus, um die [[Spektrallinie]]n des [[Wasserstoffatom]]s zu erklären. Das nach ihm benannte [[Bohrsches Atommodell|bohrsche Atommodell]] geht davon aus, dass das Elektron im Wasserstoffatom mit einer bestimmten Energie um den [[Atomkern|Kern]] kreist. Das Elektron wird hierbei noch als klassisches [[Teilchen]] betrachtet, mit der einzigen Einschränkung, dass es nur bestimmte Energien haben kann und, wenn es mit einer solchen Energie um den Kern kreist, entgegen der [[Elektrodynamik|klassischen Elektrodynamik]] keine elektromagnetische Welle erzeugt, also auch keine Energie abstrahlt. Eine experimentelle Bestätigung der von Bohr verwendeten Annahmen gelang im [[Franck-Hertz-Versuch]] 1914. Das bohrsche Atommodell wurde noch um einige Konzepte wie elliptische Bahnen des Elektrons erweitert, insbesondere von [[Arnold Sommerfeld]], um auch die Spektren anderer Atome erklären zu können. Dieses Ziel wurde jedoch nicht zufriedenstellend erreicht. Außerdem konnte Bohr keine Begründung für seine [[Postulat]]e geben außer der, dass das [[Rydberg-Formel|Wasserstoffspektrum]] damit erklärbar war; zu tieferer Einsicht führte sein Modell nicht.
== Bindungsarten ==
Im Jahr 1924 veröffentlichte [[Louis-Victor de Broglie|Louis de Broglie]] seine Theorie der [[Materiewelle]]n, wonach jegliche Materie einen Wellencharakter aufweisen kann und umgekehrt Wellen auch einen Teilchencharakter aufweisen können.<ref name="deBroglie1924">L. de Broglie: ''Recherches sur la théorie des Quanta'', Doktorarbeit. Engl. Übersetzung (übers. A.F. Kracklauer): Ann. de Phys., 10e serie, t. III, (1925).</ref> Mit Hilfe seiner Theorie konnten der photoelektrische Effekt und das bohrsche Atommodell auf einen gemeinsamen Ursprung zurückgeführt werden. Die Umlaufbahnen des Elektrons um den Atomkern wurden als [[Stehende Welle|stehende Materiewellen]] aufgefasst. Die berechnete Wellenlänge des Elektrons und die Längen der Umlaufbahnen nach dem bohrschen Modell stimmten gut mit diesem Konzept überein. Eine Erklärung der anderen Atomspektren war jedoch weiterhin nicht möglich.
Auf rein [[physisch]]er Ebene entsprechen die drei Grundtypen der chemischen Bindung den [[Tria Principia]] des [[Paracelsus]]<ref>Gutmann/Hengge, S. 3</ref>:
De Broglies Theorie wurde drei Jahre später in zwei unabhängigen Experimenten bestätigt, welche die [[Beugung (Physik)|Beugung]] von Elektronen nachwiesen. Der [[Vereinigtes Königreich|britische]] Physiker [[George Paget Thomson]] leitete einen [[Elektronenstrahl]] durch einen dünnen Metallfilm und beobachtete die von de Broglie vorhergesagten [[Interferenz (Physik)|Interferenzmuster]].<ref name="Thomson1927">G. P. Thomson: ''The Diffraction of Cathode Rays by Thin Films of Platinum.'' Nature 120 (1927), 802.</ref> Bereits 1921 hatte ein ähnliches Experiment von [[Clinton Davisson]] und [[Charles Kunsman]] in den [[Bell Labs]] bei einem an [[Nickel]] reflektierten Elektronenstrahl Beugungsmuster gezeigt, die aber noch nicht als Interferenz gedeutet wurden.<ref>C. Davisson, C.H. Kunsman: ''THE SCATTERING OF ELECTRONS BY NICKEL'' In: ''Science'' Bd. 54 S. 1104</ref> Davisson und sein Assistent [[Lester Germer]] wiederholten das Experiment 1927 und erklärten die beobachteten klaren Beugungsmuster mit Hilfe der Wellentheorie de Broglies.<ref name="Davisson_Germer1927">C. Davisson and L. H. Germer: ''Diffraction of Electrons by a Crystal of Nickel'' In: ''Phys. Rev.''. 30, Nr. 6, 1927, {{DOI|10.1103/PhysRev.30.705}}.</ref>
* [[Sal]] entspricht der salzartigen [[#Ionische Bindung|ionischen Bindung]],
* [[Mercurius]] der [[#Metallische Bindung|metallischen Bindung]],
* [[Sulphur]] der [[#Kovalente Bindung|kovalenten Bindung]]
=== Quantenmechanik ===
=== Ionische Bindung ===
{{Hauptartikel|Quantenmechanik}}
[[Datei:NaCl polyhedra.png|mini|200px|Ausschnitt aus der kubischen Kristallstruktur des [[w:Natriumchlorid|Natriumchlorid]]s.]]
Die moderne Quantenmechanik fand ihren Beginn im Jahr 1925 mit der Formulierung der [[Matrizenmechanik]] durch [[Werner Heisenberg]], [[Max Born]] und [[Pascual Jordan]].<ref name="Heisenberg1925a">W. Heisenberg: ''Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen'' Zeitschrift für Physik 33 (1925), S. 879–893.</ref><ref name="Born_Jordan1926">M. Born, P. Jordan: ''Zur Quantenmechanik'', Zeitschrift für Physik 34 (1925), 858</ref><ref name="Born_Heisenberg_Jordan_1926">M. Born, W. Heisenberg, P. Jordan: ''Zur Quantenmechanik II'', Zeitschrift für Physik 35 (1926), 557.</ref> Wenige Monate später entwickelte [[Erwin Schrödinger]] über einen völlig anderen Ansatz – ausgehend von De Broglies Theorie der Materiewellen – die [[Schrödingergleichung|Wellenmechanik]] und die Schrödingergleichung.<ref name="Schroedinger1926">E. Schrödinger: ''Quantisierung als Eigenwertproblem I'', Annalen der Physik 79 (1926), 361–376. E. Schrödinger: ''Quantisierung als Eigenwertproblem II'', Annalen der Physik 79 (1926), 489–527. E. Schrödinger: ''Quantisierung als Eigenwertproblem III'', Annalen der Physik 80 (1926), 734–756. E. Schrödinger: ''Quantisierung als Eigenwertproblem IV'', Annalen der Physik 81 (1926), 109–139.</ref> Kurz darauf konnte Schrödinger nachweisen, dass sein Ansatz der Matrizenmechanik äquivalent ist.<ref name="Schroedinger1926a">E. Schrödinger: ''Über das Verhältnis der Heisenberg-Born-Jordanschen Quantenmechanik zu der meinen'', Annalen der Physik 79 (1926), 734–756.</ref>
Die '''ionische Bindung''' (auch: '''Ionenbindung''') entsteht zwischen [[Chemische Elemente|chemischen Elementen]], deren Atome sich stark in ihrer [[#Elektronegativität|Elektronegativität]] unterscheiden. Das Atom mit der geringeren Elektronegativität gibt dadurch sehr leicht seine Außenelektronen an das elektronegativere Atom ab und wird dadurch wegen der nun überwiegenden Kernladung zu einem ein- oder mehrfach positiv geladenen [[Kation]]. Im Gegenzug erhält das elektronegativere Atom eine negative Überschussladung und wird dadurch in gleichem Maß zu einem negativ geladenen [[Anion]]. Die gegensätzlich geladenen [[Ion]]en werden durch die [[Elektrostatik|elektrostatische Anziehung]] fest aneinander gebunden und fügen sich in ein regelmäßig geordnetes [[Kristallgitter]] ein. Dadurch entstehen [[Salze|salzartige]], meist schwer schmelzbarer '''Ionenkristalle''', die die Grundlage der [[Mineralwelt]] bilden. Ein typisches Beispiel ist das aus [[Natrium]] und [[Chlor]] gebildete [[Natriumchlorid]] (NaCl), das als [[Kochsalz]] wohlbekannt ist. Jedes Na<sup>+</sup>-Ion (grau) ist von 6 [[Oktaeder|oktaedrisch]] angeordneten Cl<sup>-</sup>-Ionen (grün) umgeben, von denen jedes wiederum von 6 Na<sup>+</sup>-Ionen umgeben ist. Die Anzahl der nächsten Nachbarn im Kristallgitter, die hier für beiden Ionensorten 6 beträgt, wird als '''Koordinationszahl''' (KZ) bezeichnet. Das '''Koordinationspolyeder''' ist jeweils ein [[Oktaeder]] (siehe Zeichnung).
Die neuen Ansätze von Schrödinger und Heisenberg enthalten eine neue Sicht auf beobachtbare physikalische Größen, sogenannte ''[[Observable]]''. Diese waren zuvor als Größen betrachtet worden, die in jedem Zustand eines Systems bestimmte Zahlenwerte besitzen, wie zum Beispiel (für ein Teilchen in einer [[Dimension]]) der jeweilige Ort oder [[Impuls]]. Dagegen versuchten Heisenberg und Schrödinger den Observablenbegriff derart zu erweitern, dass er mit der [[Doppelspaltexperiment|Beugung am Doppelspalt]] verträglich würde. Wird dabei nämlich für jedes Teilchen durch eine zusätzliche [[Messung]] festgestellt, durch welchen der Spalte es fliegt, erhält man kein Doppelspaltinterferenzmuster, sondern zwei Einzelspaltmuster. Am Ende dieser Messung ist also der Zustand des beobachteten Teilchens ein anderer als vorher. Observable werden daher formal als Funktionen aufgefasst, die einen Zustand in einen anderen Zustand überführen. Des Weiteren muss jedes Teilchen „irgendwie“ durch beide Spalte fliegen, damit man überhaupt ein Interferenzmuster erklären kann. Dem Zustand jedes einzelnen (!) Teilchens während des Fluges muss man also beide Möglichkeiten zuschreiben, wobei sich bei Beobachtung genau eine realisiert. Das hatte zur Folge, dass der Zustand eines Teilchens nicht mehr durch eindeutige Größenwerte wie Ort und Impuls bestimmt sein kann, sondern von den Observablen und ihren Größenwerten getrennt werden muss. Bei einem Messprozess wird der Zustand in einen der sogenannten Eigenzustände der Observablen umgewandelt, dem nun ein eindeutiger reeller [[Messwert]] zugeordnet ist. Dies Konzept des [[Zustand (Quantenmechanik)|quantenmechanischen Zustandes]] ist also mit dem Konzept der (mathematisch genauen) [[Trajektorie (Physik)|Bahnkurve]] in der älteren Quantentheorie nicht vereinbar. Mathematisch wird ein quantenmechanischer Zustand durch eine [[Wellenfunktion]] oder (weniger anschaulich) durch einen [[Zustandsvektor]] wiedergegeben.
=== Kovalente Bindung ===
Eine Folge dieses neuartigen Observablenbegriffs ist, dass es formal nicht möglich ist, zwei beliebige Observable ohne Angabe einer Reihenfolge auf einen Zustand wirken zu lassen. Wenn es bei zwei Messprozessen auf ihre Reihenfolge nicht ankommt (z. B. Messung von x- und y-Koordinate), heißen sie vertauschbar. Andernfalls (z. B. Messung von x-Koordinate und x-Impuls) muss ihre Reihenfolge festgelegt werden, und in genau diesen Fällen verändert die zweite Messung den durch die erste Messung erzeugten Zustand ein weiteres Mal. Daher würde auch eine anschließende Wiederholung der ersten Messung nun ein anderes Ergebnis haben. Es ist also möglich, dass zwei Observable, wenn sie in unterschiedlicher Reihenfolge auf einen Zustand wirken, unterschiedliche Endzustände liefern können. Wenn bei zwei Observablen die Reihenfolge der Messung entscheidend ist, weil die Endzustände sonst verschieden sind, führt dies zu einer sogenannten [[Heisenbergsche Unschärferelation|Unschärferelation]]. Für Ort und Impuls wurde diese erstmals von Heisenberg im Jahr 1927 beschrieben. Diese Relationen versuchen, die [[Streuung (Statistik)|Streuung]] der Messwerte bei Vertauschen der Observablen, und damit die Unterschiedlichkeit der Endzustände quantitativ zu beschreiben.
Die '''kovalente Bindung''' (veraltet auch '''Atombindung''', '''Elektronenpaarbindung''' oder '''homöopolare Bindung'''), wie sie vor allem für [[organische Verbindung]]en typisch ist, entsteht zwischen Atomen mit gleicher oder vergleichbarer Elektronegativität. Eine Ionenbindung kann in diesem Fall nicht entstehen, statt dessen teilen die beteiligten Atome ein oder mehrere bindende Elektronenpaare und bilden durch Überlagerung der an der Bindung beteiligten zwei [[Atomorbital]]e ein gemeinsames bindendes und ein antibindendes '''Molekülorbital''' ('''MO''') aus, wobei aber nur das energetisch tiefer liegende bindende Molekülorbital von den beiden bindenden Elektronen besetzt wird. Die Atome werden dadurch zu einem [[Molekül]] verbunden. So verwandelt sich etwa der hochreaktive atomare [[Wasserstoff]] (H), der z.B. durch die Reaktion unedeler [[Metalle]] mit [[Säuren]] entsteht, praktisch augenblicklich in das wesentlich stabilere Wasserstoffmolekül (H<sub>2</sub>) um. Auch [[Stickstoff]] (N) und [[Sauerstoff]] (O) kommen in der [[Luft]] niemals in atomarer, sondern stets nur in molekularer Form vor, d.h. als N<sub>2</sub> bzw. O<sub>2</sub>. Schon [[w:Amadeo Avogadro|Amadeo Avogadro]] (1776-1856) unterschied zwischen Atomen (''molécules élémentaires'') und Molekülen (''molécules intégrantes'') und vermutete, dass die [[Chemische Elemente|chemischen Elemente]] in der Gasphase nicht als einzelne Atome, sondern als zweiatomige Moleküle vorliegen. Seine Ansichten gerieten aber für längere Zeit in Vergessenheit. Erst seinem Schüler [[Wikipedia:Stanislao Cannizzaro|Stanislao Cannizzaro]] (1826-1910) gelang der Nachweis, dass [[Wasserstoff]] im Gaszustand als H<sub>2</sub>-Molekül vorliegt.
1927 wurde die [[Kopenhagener Deutung|Kopenhagener Interpretation]] von Bohr und Heisenberg formuliert, die auch als orthodoxe Interpretation der Quantenmechanik bezeichnet wird. Sie stützte sich auf den Vorschlag von Max Born, das [[Betragsquadrat]] der Wellenfunktion, die den Zustand eines Systems beschreibt, als [[Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation|Wahrscheinlichkeitsdichte]] aufzufassen. Die Kopenhagener Deutung ist bis heute die Interpretation der Quantenmechanik, die von den meisten Physikern vertreten wird, obwohl es inzwischen zahlreiche andere Interpretationen gibt.
<center><gallery widths="150px" heigths="150px" caption="Die Molekülorbitale des Wasserstoffmoleküls H<sub>2</sub>">
Wave functions binding.svg|Additive Überlagerung der Wellenfunktionen (bindend)
Wasserstoff-Orbitale.svg|Besetzungsschema der Molekülorbitale
</gallery></center>
In den Jahren ab ca. 1927 vereinigte [[Paul Dirac]] die Quantenmechanik mit der [[Spezielle Relativitätstheorie|speziellen Relativitätstheorie]]. Er führte auch erstmals die Verwendung der [[Operator (Mathematik)|Operator]]-Theorie inklusive der [[Bra-Ket]]-Notation ein und beschrieb diesen mathematischen Kalkül 1930 in einer [[Monografie]].<ref name="Dirac1930">P. A. M. Dirac: ''„Principles of Quantum Mechanics“'', Oxford University Press, 1958, 4th. ed., ISBN 0-19-851208-2.</ref>
[[Quantenmechanik|Quantenmechanisch]] lassen sich Atombindungen näherungsweise durch die [[1927]] von [[w:Walter Heitler|Walter Heitler]] und [[w:Fritz London|Fritz London]] entwickelte [[w:Valenzstrukturtheorie|Valenzstrukturtheorie]] (VB-Theorie) oder durch die wenig später von [[w:Friedrich Hund|Friedrich Hund]] und [[w:Robert S. Mulliken|Robert S. Mulliken]] aufgestellte [[w:Molekülorbitaltheorie|Molekülorbitaltheorie]] (MO-Theorie)berechnen.
Zur gleichen Zeit formulierte [[John von Neumann]] die strenge mathematische Basis für die Quantenmechanik, wie z. B. die Theorie [[Linearer Operator|linearer Operatoren]] auf [[Hilbertraum|Hilberträumen]], die er 1932 in einer Monografie beschrieb.<ref name="vonNeumann1955">John von Neumann: ''„Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik“'', Springer Berlin, 1996, 2. Auflage. Engl. (autorisierte) Ausg. (übers. R. T Beyer): ''„Mathematical Foundations of Quantum Mechanics“'', Princeton Univ. Press, 1955 (dort p. 28 sqq.)</ref>
Die Verwendung des Ausdrucks ''Quantenphysik'' ist erstmals 1929 in Max Plancks Vortrag ''Das Weltbild der neuen Physik'' dokumentiert.<ref name="Planck1929">M. Planck, ''Das Weltbild der neuen Physik'', Monatshefte für Mathematik, Springer, Wien, Bd. 36 (1929), S. 387–410. [http://books.google.de/books?id=ZylWAAAAMAAJ&dq=Das+Weltbild+der+neuen+Physik&q=Quantenphysik#search_anchor Auszug google books].</ref> Die in dieser Aufbauphase formulierten Ergebnisse haben bis heute Bestand und werden allgemein zur Beschreibung quantenmechanischer Aufgabenstellungen verwendet.
[[Datei:Ch4 hybridization.svg|mini|Die 4 bindenden sp<sup>3</sup>-[[Hybridorbitale]] von [[w:Methan|Methan]] (CH<sub>4</sub>), durch die 4 Wasserstoffatome kovalent an das zentrale Kohlenstoffatom gebunden sind.]]
=== Quantenfeldtheorie ===
Um die [[Molekülgeometrie|geometrischen Verhältnisse]] bei Atombindungen wirklichkeitsgetreuer zu beschreiben, führte [[w:Linus Pauling|Linus Pauling]] um 1931 das Konzept der [[Hybridorbitale]] ein. Er nützte dabei die Tatsache aus, dass alle Linearkombinationen der [[Wellenfunktion]]en, die sich als Lösungen der [[Schrödingergleichung]] ergeben, gültige Lösungen derselben sind.
{{Hauptartikel|Quantenfeldtheorie}}
Ein Beispiel möge dies verdeutlichen: Ein [[Kohlenstoff]]atom (C) verbindet sich mit vier [[Wasserstoff]]atomen (H) zu dem [[Kohlenwasserstoff]] [[w:Methan|Methan]] (CH<sub>4</sub>). Wasserstoff verfügt nur über ein einziges Elektron, das sich im Grundzustand im 1s-Orbital aufhält. Kohlenstoff hat insgesamt 6 Elektronen, von denen sich zwei in der inneren 1s-Schale befinden, die an der Bindung unbeteiligt ist. Die restlichen 4 Elektronen befinden sich in der 2. Schale und verteilen sich auf das kugelsymmetrische 2s-Orbital und die drei hantelförmigen 2p-Orbitale, d.h. auf 2p<sub>x</sub>, 2p<sub>y</sub> und 2p<sub>z</sub>, die rechtwinkelig zueinander stehen. Da die [[kovalente Bindung]] der 4 Wasserstoffatome an den Kohlenstoff durch Überlagerung der äußeren Atomorbitale erfolgt, müssten theoretisch unterschiedliche Bindungen entstehen je nach dem, ob sich das 1s-Orbital des Wasserstoffs mit dem 2s-Orbital oder einem der drei 2p-Orbitale des Kohlenstoffs überlagert. Empirisch zeigt sich allerdings, dass alle 4 Bindungen völlig gleichwertig und nach den Ecken eines [[Tetraeder]]s ausgerichtet sind. Das Problem lässt sich lösen, wenn man das 2s-Orbital und die drei 2p-Orbitale durch Linearkombination zu vier gleichwertigen sp<sup>3</sup>-Hybridorbitalen umwandelt, die tetraedrisch ausgerichtet und mit je einem Elektron besetzt sind.
Ab 1927 wurde versucht, die Quantenmechanik nicht nur auf [[Teilchen|Partikel]], sondern auch auf [[Feld (Physik)|Felder]] anzuwenden, woraus die Quantenfeldtheorien entstanden. Die ersten Ergebnisse auf diesem Gebiet wurden durch Paul Dirac, [[Wolfgang Pauli]], [[Victor Weisskopf]] und [[Pascual Jordan]] erzielt. Um Wellen, Teilchen und Felder einheitlich beschreiben zu können, werden sie als Quantenfelder, ähnliche Objekte wie Observable, aufgefasst. Sie müssen jedoch nicht die Eigenschaft der [[Reelle Zahl|Reellwertigkeit]] erfüllen. Das bedeutet, dass die Quantenfelder nicht unbedingt messbare Größen darstellen. Es ergab sich jedoch das Problem, dass die Berechnung komplizierter [[Streuung (Physik)|Streuprozesse]] von Quantenfeldern unendliche Ergebnisse lieferte. Die alleinige Berechnung der einfachen Prozesse liefert jedoch oft Ergebnisse, die stark von den Messwerten abwichen.
Unterscheiden sich die Elektronegativitäten der Bindungspartner voneinander, entsteht eine '''polare Atombindung''', bei der sich die miteinander verbunden Atome zwar nicht zu [[Ion]]en verwandeln, aber doch positive und negative Partialladungen tragen.
Erst Ende der 1940er Jahre konnte das Problem der Unendlichkeiten mit der [[Renormierung]] umgangen werden. Dies ermöglichte die Formulierung der [[Quantenelektrodynamik]] durch [[Richard Feynman]], [[Freeman Dyson]], [[Julian Schwinger]] und [[Shin’ichirō Tomonaga]]. Die Quantenelektrodynamik beschreibt [[Elektron]]en, [[Positron]]en und das [[Elektromagnetisches Feld|elektromagnetische Feld]] erstmals in einer durchgängigen Weise, und die von ihr vorhergesagten Messergebnisse konnten sehr genau bestätigt werden.<ref>Richard Feynman: ''QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie'' 1987, ISBN 3-492-21562-9 – Eine leicht verständliche Einführung in die Quantenelektrodynamik.</ref> Die hier entwickelten Konzepte und Methoden wurden als Vorbild für weitere, später entwickelte Quantenfeldtheorien verwendet.
==== Koordinative Bindung ====
Die Theorie der [[Quantenchromodynamik]] wurde Anfang der 1960er Jahre ausgearbeitet. Die heute bekannte Form der Theorie wurde 1975 durch [[David Politzer]], [[David Gross]] und [[Frank Wilczek]] formuliert. Aufbauend auf den wegweisenden Arbeiten von [[Julian Seymour Schwinger]], [[Peter Higgs]], [[Jeffrey Goldstone]] und [[Sheldon Glashow]] konnten [[Steven Weinberg]] und [[Abdus Salam]] unabhängig voneinander zeigen, wie die schwache Kernkraft und die Quantenelektrodynamik zu der Theorie der [[Elektroschwache Wechselwirkung|elektroschwachen Wechselwirkung]] zusammengeführt werden können.
Die '''koordinative Bindung''' (auch '''Donator-Akzeptor-Bindung''' oder veraltet '''dative Bindung''') ist eine besondere Form der Elektronenpaarbindung, bei der das bindende Elektronenpaar allein von einem der beiden Bindungspartner (dem ''Donator'') bereitgestellt wird. Sie bildet die Grundlage der '''Komplexchemie'''. Die koordinativ an das '''Zentralatom''' gebundenen Atome, Ionen oder Moleküle werden als '''Liganden''' (von [[lat.]] ''ligare'' „binden“) bezeichnet. Als Zentralatome kommen vor allem [[Metalle]] infrage, die über freie [[d-Orbital]]e verfügen, wie etwa [[Kupfer|Cu<sup>2+</sup>]], [[Magnesium|Mg<sup>2+</sup>]], [[Eisen|Fe<sup>2+</sup>]], [[Eisen|Fe<sup>3+</sup>]], [[Eisen|Fe<sup>0</sup>]], [[Chrom|Cr<sup>0</sup>]], [[Nickel|Ni<sup>2+</sup>]] und [[Nickel|Ni<sup>0</sup>]].
Bis heute ist die Quantenfeldtheorie ein aktives Forschungsgebiet, das sehr viele neuartige Methoden entwickelt hat. Sie ist die Grundlage aller Versuche, eine [[Weltformel|vereinheitlichte Theorie aller Grundkräfte]] zu formulieren. Insbesondere bauen [[Supersymmetrie]], [[Stringtheorie]], [[Schleifenquantengravitation]] und [[Twistor-Theorie]] maßgeblich auf den Methoden und Konzepten der Quantenfeldtheorie auf.
So sind etwa die vier [[w:Ammoniak|Ammoniak]]-Moleküle (NH<sub>3</sub>) in dem tiefblauen [[w:Tetraamminkupfersulfat|Tetraamminkupfer(II)-sulfat]] [Cu(NH<sub>3</sub>)<sub>4</sub>]SO<sub>4</sub> koordinativ über das einsame Elektronenpaar des [[Stickstoff]]s an das zentrale Kupferatom gebunden.
Die folgende Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
[[Datei:Nuvola di elettroni.svg|mini|Ein Metallgitter aus positiv geladenen Atomrümpfen, die von frei beweglichen Elektronen umgeben sind.]]
Auf ähnliche Weise ist auch das [[Kristallwasser]] in dem blauen [[w:Kupfersulfat|Kupfersulfat-Pentahydrat]] Cu[SO<sub>4</sub>]·5H<sub>2</sub>O und ähnlichen [[Salze]]n koordinativ gebunden. Treibt man das Kristallwasser durch Erhitzen aus, bleibt das kristallwasserfrei farblos weißliche Kupfersulfat CuSO<sub>4</sub> zurück.
{|class="wikitable"
=== Metallische Bindung ===
!Entdeckung<ref>Für Quellenangaben und weitere Informationen bitte die jeweils verlinkten Hauptartikel aufrufen.</ref>
|[[Oskar Klein|Klein]], [[Walter Gordon (Physiker)|Gordon]], Dirac
|1926–1928
|
|-
|class="hintergrundfarbe7"|[[Tunneleffekt]]
|[[George Gamow|Gamow]], [[Friedrich Hund|Hund]] <ref>[http://www.deutschlandfunk.de/die-quantentheorie-erklaert-das-sonnenfeuer-friedrich-hund.732.de.html?dram:article_id=344009 Friedrich Hund, der Tunneleffekt und das Leuchten der Sterne] auf Deutschlandfunk gesendet am 4. Februar 2016.</ref> und andere
|1926–1928
|Theoretische Erklärung für den Alpha-Zerfall und die Feldemission
|-
|class="hintergrundfarbe6"|[[Kernspinresonanz]]
|[[Isidor Rabi|Rabi]]
|1936
|
|-
|class="hintergrundfarbe6"|[[Suprafluidität]]
|[[Pjotr Leonidowitsch Kapiza|Kapiza]] et al.
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|class="hintergrundfarbe8"|[[Transistor]]
|[[William B. Shockley|Shockley]], [[Walter Brattain|Brattain]], [[John Bardeen|Bardeen]]
|1935 hielten Einstein, Podolski und Rosen diesen Effekt der [[Quantenverschränkung]] für [[Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon|paradox]].
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[[Metalle]] haben nur relativ wenige Außenelektronen und geben diese auch ohne Reaktionspartner leicht ab. Dadurch entstehen leicht bewegliche freie Elektronen, die den Metallen ihre hohe [[Elektrische Leitfähigkeit|elektrische]] und [[Wärmeleitung|thermische Leitfähigkeit]] verleiht.
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!Legende:
|class="hintergrundfarbe6"|Experimentalphysik
|class="hintergrundfarbe7"|Theoretische Physik
|class="hintergrundfarbe8"|Technische Anwendung
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== Siehe auch ==
== Siehe auch ==
* {{WikipediaDE|Kategorie:Quantenphysik}}
* {{WikipediaDE|Quantenphysik}}
* {{WikipediaDE|Chemische Bindung}}
* {{WikipediaDE|Ionische Bindung}}
* {{WikipediaDE|Kovalente Bindung}}
* {{WikipediaDE|Metallische Bindung}}
* {{WikipediaDE|Van-der-Waals-Kräfte}}
* {{WikipediaDE|Wasserstoffbrückenbindung}}
== Literatur ==
== Literatur ==
* [[Thomas Görnitz]]: ''Quanten sind anders; Die verborgene Einheit der Welt.'' Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 978-3-827-40571-5
* [[Viktor Gutmann]], Edwin Hengge: ''Allgemeine und anorganische Chemie'', 5. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim 1990, ISBN 978-3527281596
* Dirk Schneider: ''Jesus Christus Quantenphysiker — Warum die moderne Naturwissenschaft Vater, Sohn und Heiliger Geist zur Erklärung der Welt benötigt'', CreateSpace Independent Publishing Platform 2013, ISBN 978-1490310985, eBook ASIN B00DCCP5G2
* A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: ''Lehrbuch der Anorganischen Chemie'', 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1
* Werner Heisenberg: ''Quantentheorie und Philosophie'', Philipp Reclam jun. GmbH 1986, ISBN 978-3150099483
* K. P. C. Vollhardt, Neil E. Schore, Holger Butenschön (Hrsg.): ''Organische Chemie'', 5. Auflage, Wiley-VCH 2011, ISBN 978-3527327546
* Marcelo Alonso, Edward J. Finn: ''Quantenphysik und Statistische Physik''. 5., unveränderte Auflage. München: Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2012, ISBN 978-3-486-71340-4
* Paula Y. Bruice: ''Organische Chemie: Studieren kompakt'', 5. Auflage, Pearson Studium 2011, ISBN 978-3868941029, eBook {{ASIN|B00QV6QM0O}}
* Stephen Gasiorowicz: ''Quantenphysik''. 9. Auflage 2005. ISBN 978-3-486-27489-9
* P. C. W. Davies (Hrsg.), J. R. Brown (Hrsg.), Jürgen Koch (Übers.): ''Der Geist im Atom: Eine Diskussion der Geheimnisse der Quantenphysik'', Insel Verlag 1993, ISBN 978-3458331995
* [[Joachim Stiller]]: [http://joachimstiller.de/download/sonstiges_quantenphilosophie.pdf Quantenphilosophie] PDF
* Thomas Walther, Herbert Walther: ''Was ist Licht?'' 3. Auflage 2010, C.H. Beck. ISBN 978-3-406-44722-8
* Georg Unger: Grundbegriffe der modernen Physik - Vom Bilden physikalischer Begriffe, 2 Bände, Verlag Freies Geistesleben 1967
== Weblinks ==
== Einzelnachweise ==
{{Wiktionary|Quantenphysik}}
{{Commonscat|Quantum physics|Quantenphysik}}
* [http://www.lectures4you.de/fachbereiche.php?Fachgebiet=Physik&Fachbereich=Quantenphysik Beispiele frei zugänglicher Lehrangebote zur Quantenphysik im Internet]
* [http://www.clifford.at/noa/noa_2005_10_07_quantenmechanik.mp3 Sendung von SWR 2 Impuls über Quantenmechanik] (47,9 MB, Sendung beginnt erst nach ca. 2 Minuten; MP3)
* [http://www.QuantumLab.de Experimente zur Quantenphysik: Verschränkung von Quanten, Quantenzufall, Quantenkryptographie]
* [http://www.amphilsoc.org/guides/ahqp/index.htm Sources for History of Quantum Physics] American Philosophical Society
* [http://dieumsnh.qfb.umich.mx/archivoshistoricosmq/ Archivos históricos de la mecánica quántica] (umfangreiche Sammlung historischer Texte zur Quantenmechanik)
* [[Joachim Stiller]]: [http://joachimstiller.de/sonstiges2.html Projekt Physik] Website
== Einzelnachweise ==
<references />
<references />
{{Normdaten|TYP=s|GND=4266670-3}}
[[Kategorie:Chemie]]
[[Kategorie:Physik nach Fachgebiet]] [[Kategorie:Physikalisches Fachgebiet]] [[Kategorie:Quantenphysik|!]]
Atome bestehen nach heutiger naturwissenschaftlicher Sicht aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern und einer Hülle aus negativ geladenen Elektronen. Als Teilchen mit halbzahligen Spin sind sie nach den Gesetzen der Quantentheorie sogenannte Fermionen, die dem Pauli-Prinzip unterliegen, nach dem die Elektronen der Hülle nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen dürfen. Sie können sich daher nicht im untersten, energieärmsten Niveau zusammendrängen, sondern müssen sich auch auf höhere, ausgedehntere und energiereichere Elektronenschalen bzw. Atomorbitale verteilen. Sie bedingen dadurch die relativ große räumliche Ausdehnung der Elektronenhülle, die den Atomkern um das 20.000- bis 150.000-fache übertrifft. Die Elektronen der äußersten Schale, der sogenannten Valenzschale, bestimmen die chemische Eigenschaften eines Atoms und seine Stellung im Periodensystem der chemischen Elemente.
Bindungslängen und Bindungswinkel des Wassermoleküls (H2O)
Die Valenzschale erreicht ihren energetisch stabilsten Zustand, wenn sie mit der maximal möglichen Zahl von Elektronen vollständig aufgefüllt ist. Das ist aber nur bei den Edelgasen der Fall, die entsprechend reaktionsträge sind, da sie ihren stabilsten Zustand bereits erreicht haben. Atome mit unvollständig aufgefüllter Valenzschale können sich dadurch stabilisieren, dass sie solange von ihren Bindungspartnern Elektronen aufnehmen oder an diese abgeben, bis sie eine vollkommen abgeschlossene Außenschale erreicht haben. Die so aneinander gebunden Atome erreichen damit gemeinsam ihren stabilsten, energieärmsten Zustand. Nach der von Gilbert Newton Lewis und Walther Kossel 1916 formulierten Edelgasregel sind chemische Verbindungen besonders stabil, wenn die daran beteiligten Atome die im Periodensystem nächstgelegene Edelgaskonfiguration ausbilden können. Mit Ausnahme des Heliums haben die Edelgase 8 Außenelektronen. Nach der darauf basierenden Oktettregel sind Verbindungen besonders stabil, wenn die gebundenen Atome dadurch 8 Elektronen haben und dadurch der Edelgaskonfiguration entsprechen.
Um eine chemische Bindung wieder zu spalten, muss eine entsprechende Bindungsenergie aufgewendet werden, die man meist in Joule pro Mol angibt. Die Bindungslänge ergibt sich aus dem von Atomkern zu Atomkern gemessene Abstand der aneinander gebundenen Atome. Bei kristallinenFeststoffen kann sie experimentell durch Kristallstrukturanalyse ermittel werden und liegt bei kovalenten Bindungen je nach den beteiligten Atomsorten typischerweise zwischen etwa 75 und 250 pm (1 pm = 10−12 m). Auf diesem Weg lassen sich auch die Bindungswinkel zwischen den einzelnen Bindungen eines Moleküls ermitteln. Bindungslängen und Bindungswinkel bestimmen die Molekülgeometrie, die sich durch entsprechende Strukturformeln veranschaulichen lässt.
Elektronegativität
Eine relatives Maß für die Fähigkeit von Atomen, Elektronen zur Auffüllung ihrer Valenzschale an sich zu ziehen, bietet das 1932 von Linus Pauling (1901-1994) eingeführte Konzept der Elektronegativität (kurz: EN; Formelzeichen ). Atome mit nahezu vollständig gesättigter Valenzschale, wie etwa die Halogene, nehmen sehr leicht Elektronen auf und haben eine entsprechend hohe Elektronegativität. Atome mit nur wenigen Außenelektronen, wie etwa die Alkalimetalle, geben diese leicht an ihre Bindungspartner ab und haben daher eine geringe Elektronegativität.
Ausschnitt aus der kubischen Kristallstruktur des Natriumchlorids.
Die ionische Bindung (auch: Ionenbindung) entsteht zwischen chemischen Elementen, deren Atome sich stark in ihrer Elektronegativität unterscheiden. Das Atom mit der geringeren Elektronegativität gibt dadurch sehr leicht seine Außenelektronen an das elektronegativere Atom ab und wird dadurch wegen der nun überwiegenden Kernladung zu einem ein- oder mehrfach positiv geladenen Kation. Im Gegenzug erhält das elektronegativere Atom eine negative Überschussladung und wird dadurch in gleichem Maß zu einem negativ geladenen Anion. Die gegensätzlich geladenen Ionen werden durch die elektrostatische Anziehung fest aneinander gebunden und fügen sich in ein regelmäßig geordnetes Kristallgitter ein. Dadurch entstehen salzartige, meist schwer schmelzbarer Ionenkristalle, die die Grundlage der Mineralwelt bilden. Ein typisches Beispiel ist das aus Natrium und Chlor gebildete Natriumchlorid (NaCl), das als Kochsalz wohlbekannt ist. Jedes Na+-Ion (grau) ist von 6 oktaedrisch angeordneten Cl--Ionen (grün) umgeben, von denen jedes wiederum von 6 Na+-Ionen umgeben ist. Die Anzahl der nächsten Nachbarn im Kristallgitter, die hier für beiden Ionensorten 6 beträgt, wird als Koordinationszahl (KZ) bezeichnet. Das Koordinationspolyeder ist jeweils ein Oktaeder (siehe Zeichnung).
Kovalente Bindung
Die kovalente Bindung (veraltet auch Atombindung, Elektronenpaarbindung oder homöopolare Bindung), wie sie vor allem für organische Verbindungen typisch ist, entsteht zwischen Atomen mit gleicher oder vergleichbarer Elektronegativität. Eine Ionenbindung kann in diesem Fall nicht entstehen, statt dessen teilen die beteiligten Atome ein oder mehrere bindende Elektronenpaare und bilden durch Überlagerung der an der Bindung beteiligten zwei Atomorbitale ein gemeinsames bindendes und ein antibindendes Molekülorbital (MO) aus, wobei aber nur das energetisch tiefer liegende bindende Molekülorbital von den beiden bindenden Elektronen besetzt wird. Die Atome werden dadurch zu einem Molekül verbunden. So verwandelt sich etwa der hochreaktive atomare Wasserstoff (H), der z.B. durch die Reaktion unedeler Metalle mit Säuren entsteht, praktisch augenblicklich in das wesentlich stabilere Wasserstoffmolekül (H2) um. Auch Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) kommen in der Luft niemals in atomarer, sondern stets nur in molekularer Form vor, d.h. als N2 bzw. O2. Schon Amadeo Avogadro (1776-1856) unterschied zwischen Atomen (molécules élémentaires) und Molekülen (molécules intégrantes) und vermutete, dass die chemischen Elemente in der Gasphase nicht als einzelne Atome, sondern als zweiatomige Moleküle vorliegen. Seine Ansichten gerieten aber für längere Zeit in Vergessenheit. Erst seinem Schüler Stanislao Cannizzaro (1826-1910) gelang der Nachweis, dass Wasserstoff im Gaszustand als H2-Molekül vorliegt.
Die Molekülorbitale des Wasserstoffmoleküls H<sub
Additive Überlagerung der Wellenfunktionen (bindend)
Bindendes Molekülorbital
Subtraktive Überlagerung der Wellenfunktion (antibindend)
Ein Beispiel möge dies verdeutlichen: Ein Kohlenstoffatom (C) verbindet sich mit vier Wasserstoffatomen (H) zu dem KohlenwasserstoffMethan (CH4). Wasserstoff verfügt nur über ein einziges Elektron, das sich im Grundzustand im 1s-Orbital aufhält. Kohlenstoff hat insgesamt 6 Elektronen, von denen sich zwei in der inneren 1s-Schale befinden, die an der Bindung unbeteiligt ist. Die restlichen 4 Elektronen befinden sich in der 2. Schale und verteilen sich auf das kugelsymmetrische 2s-Orbital und die drei hantelförmigen 2p-Orbitale, d.h. auf 2px, 2py und 2pz, die rechtwinkelig zueinander stehen. Da die kovalente Bindung der 4 Wasserstoffatome an den Kohlenstoff durch Überlagerung der äußeren Atomorbitale erfolgt, müssten theoretisch unterschiedliche Bindungen entstehen je nach dem, ob sich das 1s-Orbital des Wasserstoffs mit dem 2s-Orbital oder einem der drei 2p-Orbitale des Kohlenstoffs überlagert. Empirisch zeigt sich allerdings, dass alle 4 Bindungen völlig gleichwertig und nach den Ecken eines Tetraeders ausgerichtet sind. Das Problem lässt sich lösen, wenn man das 2s-Orbital und die drei 2p-Orbitale durch Linearkombination zu vier gleichwertigen sp3-Hybridorbitalen umwandelt, die tetraedrisch ausgerichtet und mit je einem Elektron besetzt sind.
Unterscheiden sich die Elektronegativitäten der Bindungspartner voneinander, entsteht eine polare Atombindung, bei der sich die miteinander verbunden Atome zwar nicht zu Ionen verwandeln, aber doch positive und negative Partialladungen tragen.
Koordinative Bindung
Die koordinative Bindung (auch Donator-Akzeptor-Bindung oder veraltet dative Bindung) ist eine besondere Form der Elektronenpaarbindung, bei der das bindende Elektronenpaar allein von einem der beiden Bindungspartner (dem Donator) bereitgestellt wird. Sie bildet die Grundlage der Komplexchemie. Die koordinativ an das Zentralatom gebundenen Atome, Ionen oder Moleküle werden als Liganden (von lat.ligare „binden“) bezeichnet. Als Zentralatome kommen vor allem Metalle infrage, die über freie d-Orbitale verfügen, wie etwa Cu2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Fe0, Cr0, Ni2+ und Ni0.
So sind etwa die vier Ammoniak-Moleküle (NH3) in dem tiefblauen Tetraamminkupfer(II)-sulfat [Cu(NH3)4]SO4 koordinativ über das einsame Elektronenpaar des Stickstoffs an das zentrale Kupferatom gebunden.
Ein Metallgitter aus positiv geladenen Atomrümpfen, die von frei beweglichen Elektronen umgeben sind.
Auf ähnliche Weise ist auch das Kristallwasser in dem blauen Kupfersulfat-Pentahydrat Cu[SO4]·5H2O und ähnlichen Salzen koordinativ gebunden. Treibt man das Kristallwasser durch Erhitzen aus, bleibt das kristallwasserfrei farblos weißliche Kupfersulfat CuSO4 zurück.
Metallische Bindung
Metalle haben nur relativ wenige Außenelektronen und geben diese auch ohne Reaktionspartner leicht ab. Dadurch entstehen leicht bewegliche freie Elektronen, die den Metallen ihre hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit verleiht.
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