Was sind chemische Verbindungen und Bindungen?
Eine Verbindung ist eine Substanz, die aus zwei oder mehr chemischen Elementen besteht. Das Besondere ist, dass diese Elemente in einem festen Verhältnis zueinander stehen – anders als etwa bei Gemischen. Ein Beispiel ist Wasser: Es handelt sich um eine Verbindung, bei der auf zwei Wasserstoffatome ein Sauerstoffatom kommt. Die Summenformel gibt die Art und Anzahl der Atome in Molekülen an. Die für Wasser lautet H2O.
Mit chemischen Bindungen ist der Zusammenhalt der kleinsten Teilchen in chemischen Stoffen gemeint. Dies können Atome, Anionen (negativ geladenen Ionen) oder Kationen (positiv geladene Ionen) sein. Alle chemischen Bindungen gehen auf elektrostatische Anziehung zwischen entgegengesetzten Ladungen zurück.
Kovalente Bindungen
Die Bindungsart Kovalente Bindung ist auch unter dem Begriff Elektronenpaarbindung bekannt. Bei ihr teilen sich die unterschiedlichen Atome Elektronenpaare und starke Bindungen entstehen. Wasser ist ein Beispiel für eine Elektronenpaarbindung: Das Sauerstoffatom (O) zieht Elektronen zu sich. Auf diese Weise erhält das Sauerstoffatom eine negative Ladung, die Wasserstoffatome (H) eine positive. Das Wassermolekül verfügt durch seine gewinkelte Struktur über zwei Pole, einen positiven und einen negativen. Auf diese sogenannte Dipolarität lassen sich viele typische Merkmale des Wassers zurückführen, zum Beispiel seine Fließeigenschaft.
Auch Ammoniak (NH3), eine wichtige Grundchemikalie für viele Branchen, wird durch kovalente Bindungen zusammengehalten. Es besteht aus Stickstoff- und Wasserstoff-Atomen im Verhältnis 1:3. Dieses Molekül ist ebenfalls ein Dipol. Für die Wasserstoffwirtschaft eignet sich Ammoniak, um Wasserstoff zu transportieren. Denn Ammoniak lässt sich leichter befördern als reiner Wasserstoff (H2). Um H2 dann zurückzugewinnen, zerlegt man das Ammoniak nach dem Transport wieder in Stickstoff und Wasserstoff.
Ionische Bindungen
Ionische Verbindungen, auch als Salze bekannt, entstehen durch die Anziehung zwischen positiv und negativ geladenen Ionen – meist zwischen Metallen und Nichtmetallen. Im Alltag verbreitet ist Natriumchlorid (NaCl), als Kochsalz bekannt: Es entsteht, wenn man das Alkalimetall Natrium und das Gas Chlor zusammengibt. Die Ionen sind in ihrer festen Form als Salz in einem Kristallgitter angeordnet. Es schmilzt erst bei 801 Grad Celsius, und auch der Siedepunkt ist mit 1.465 Grad Celsius hoch. Neben Kochsalz gibt es etliche weitere Salze. So sind Phosphate für den Aufbau von Knochen und Zähnen erforderlich. Elementar sind Salze auch für die Industrie, etwa in Batterien oder in der Farbstoffherstellung.
Metallische Bindungen
Metallbindungen unterscheiden sich deutlich von den Elektronenpaar- und Ionenbindungen. Denn die Elektronegativität der Metallatome ist schwächer als bei Nichtmetallatomen. Weil die Atomkerne ihre Außenelektronen weniger stark anziehen, bleiben diese innerhalb eines Metallgitters aus positiven Metall-Kationen frei beweglich. Zu den besonderen Eigenschaften von Metallbindungen zählen die elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und die Verformbarkeit von Metallen. Kupfer-Zinn-Verbindungen zum Beispiel sind in der Elektronik relevant, Aluminium-Legierungen in der Luft- und Raumfahrt.
Click-Chemie: Meilenstein für die Krebstherapie
Nicht alle Moleküle reagieren von Natur aus miteinander. Die sogenannte Click-Chemie ermöglicht dies aber. Sie ist vergleichbar mit Legosteinen: Per Klick lassen sich zwei Steine perfekt zusammenfügen. In der Click-Chemie fügt man den jeweiligen Molekülen, die man miteinander verbinden möchte, gewissermaßen Anschlussstücke hinzu, die sich gut miteinander verbinden lassen.
Der Nutzen ist groß: Damit lassen sich zum Beispiel Medikamente erzeugen, die im Körper genau dahin transportiert werden können, wo sie wirken sollen. So lassen sich Nebenwirkungen reduzieren. Das ist ein bedeutender Fortschritt in der Arzneimittelentwicklung, vor allem gegen Krebs. Die Grundlagen der Click-Chemie schufen der US-amerikanische Chemiker Barry Sharpless und sein dänischer Kollege Morten Meldal. Die Biochemikerin Carolyn Bertozzi, ebenfalls US-Amerikanerin, entwickelte die Click-Chemie weiter, sodass diese in lebenden Zellen gelingt. 2022 erhielten die drei den Chemie-Nobelpreis.
