Die Bindung zweier Wasserstoffatome in einem Wasserstoffgasmolekül ist eine klassische kovalente Bindung. Die Bindung ist leicht zu analysieren, da die Wasserstoffatome jeweils nur ein Proton und ein Elektron haben. Die Elektronen befinden sich in der Einzelelektronenhülle des Wasserstoffatoms, die Platz für zwei Elektronen bietet.
Da die Wasserstoffatome identisch sind, kann keiner dem anderen das Elektron abnehmen, um seine Elektronenhülle zu vervollständigen und eine Ionenbindung zu bilden. Dadurch teilen sich die beiden Wasserstoffatome die beiden Elektronen in einer kovalenten Bindung. Die Elektronen verbringen die meiste Zeit zwischen den positiv geladenen Wasserstoffkernen und ziehen sie beide von der negativen Ladung der beiden Elektronen an.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Moleküle von Wasserstoffgas bestehen aus zwei Wasserstoffatomen in einer kovalenten Bindung. Auch in anderen Verbindungen gehen Wasserstoffatome kovalente Bindungen ein, beispielsweise in Wasser mit einem Sauerstoffatom und in Kohlenwasserstoffen mit Kohlenstoffatomen. Im Fall von Wasser können die kovalent gebundenen Wasserstoffatome zusätzliche intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen bilden, die schwächer sind als die kovalenten Molekülbindungen. Diese Bindungen verleihen dem Wasser einige seiner physikalischen Eigenschaften.
Kovalente Bindungen in Wasser
Die Wasserstoffatome im H2O Wassermoleküle bilden die gleiche Art von kovalenter Bindung wie in Wasserstoffgas, jedoch mit dem Sauerstoffatom. Das Sauerstoffatom hat sechs Elektronen in seiner äußersten Elektronenhülle, die Platz für acht Elektronen bietet. Um seine Hülle zu füllen, teilt das Sauerstoffatom die beiden Elektronen der beiden Wasserstoffatome in einer kovalenten Bindung.
Neben der kovalenten Bindung geht das Wassermolekül weitere intermolekulare Bindungen mit anderen Wassermolekülen ein. Das Wassermolekül ist ein polarer Dipol, das heißt, das eine Ende des Moleküls, das Sauerstoffende, ist negativ und das andere Ende mit den beiden Wasserstoffatomen positiv geladen. Das negativ geladene Sauerstoffatom eines Moleküls zieht eines der positiv geladenen Wasserstoffatome eines anderen Moleküls an und bildet eine Dipol-Dipol-Wasserstoffbrücke. Diese Bindung ist schwächer als die kovalente Molekülbindung, hält aber die Wassermoleküle zusammen. Diese intermolekularen Kräfte verleihen dem Wasser spezifische Eigenschaften wie eine hohe Oberflächenspannung und einen relativ hohen Siedepunkt für das Gewicht des Moleküls.
Kovalente Kohlenstoff- und Wasserstoffbindungen
Kohlenstoff hat vier Elektronen in seiner äußersten Elektronenhülle, die Platz für acht Elektronen bietet. Als Ergebnis teilt Kohlenstoff in einer Konfiguration vier Elektronen mit vier Wasserstoffatomen, um seine Hülle in einer kovalenten Bindung zu füllen. Die resultierende Verbindung ist CH4, Methan.
Während Methan mit seinen vier kovalenten Bindungen eine stabile Verbindung ist, kann Kohlenstoff mit Wasserstoff und anderen Kohlenstoffatomen andere Bindungskonfigurationen eingehen. Die Konfiguration mit vier äußeren Elektronen ermöglicht es Kohlenstoff, Moleküle zu bilden, die die Grundlage vieler komplexer Verbindungen bilden. Alle diese Bindungen sind kovalente Bindungen, aber sie ermöglichen Kohlenstoff eine große Flexibilität in seinem Bindungsverhalten.
Kovalente Bindungen in Kohlenstoffketten
Wenn Kohlenstoffatome mit weniger als vier Wasserstoffatomen kovalente Bindungen bilden, verbleiben zusätzliche Bindungselektronen in der äußeren Hülle des Kohlenstoffatoms. Zum Beispiel können zwei Kohlenstoffatome, die mit drei Wasserstoffatomen kovalente Bindungen bilden, jeweils eine kovalente Bindung miteinander eingehen und sich ihre einzelnen verbleibenden Bindungselektronen teilen. Diese Verbindung ist Ethan, C2H6.
In ähnlicher Weise können sich zwei Kohlenstoffatome mit jeweils zwei Wasserstoffatomen verbinden und eine kovalente Doppelbindung miteinander bilden, wobei sie ihre vier übrig gebliebenen Elektronen untereinander teilen. Diese Verbindung ist Ethylen, C2H4. In Acetylen, C2H2, bilden die beiden Kohlenstoffatome mit jedem der beiden Wasserstoffatome eine kovalente Dreifachbindung und eine Einfachbindung. In diesen Fällen sind nur zwei Kohlenstoffatome beteiligt, aber die beiden Kohlenstoffatome können problemlos nur Einfachbindungen miteinander aufrechterhalten und den Rest verwenden, um sich mit weiteren Kohlenstoffatomen zu binden.
Propan, C3H8, hat eine Kette von drei Kohlenstoffatomen mit einzelnen kovalenten Bindungen zwischen ihnen. Die beiden endständigen Kohlenstoffatome haben eine Einfachbindung mit dem mittleren Kohlenstoffatom und drei kovalente Bindungen mit jeweils drei Wasserstoffatomen. Das mittlere Kohlenstoffatom hat Bindungen mit den anderen beiden Kohlenstoffatomen und zwei Wasserstoffatomen. Eine solche Kette kann viel länger sein und ist die Grundlage für viele der in der Natur vorkommenden komplexen organischen Kohlenstoffverbindungen, die alle auf derselben Art kovalenter Bindung basieren, die zwei Wasserstoffatome verbindet.