Valenzelektronen: Die Außenelektronen bestimmen die elektrische Leitfähigkeit

Werkstoffe aus Metall leiten den elektrischen Strom besonders gut. Der Grund hierfür ist, dass Metalle viele freie Elektronen besitzen. Sobald eine elektrische Spannung an einem Metalldraht anliegt, entsteht Druck auf die freien Elektronen und sie beginnen zu fließen. Je mehr freie Elektronen verfügbar sind, umso stärker ist die elektrische Stromstärke. Sind keine freien Elektronen verfügbar, können keine Elektronen und somit kein elektrischer Strom fließen. Die Anzahl der freien Elektronen hängt von der Anzahl der Valenzelektronen ab, die sich nicht an Atombindungen beteiligen. Valenzelektronen sind die Elektronen, die sich in den äußersten Orbitalen von Atomen befinden. Auf den folgenden Bildern sind zwei Atome schematisch abgebildet. Das eine Atom enthält 2 Valenzelektronen, das andere 6 Valenzelektronen.

Bei Edelgasen sind die äußeren Atomschalen komplett mit Elektronen gefüllt. Am Ende der 1. Periode im Periodensystem der Elemente ist die äußere Atomschale mit 2 Elektronen bereits komplett und das ergibt das Edelgas Helium. Danach wird jede Periode komplettiert, sobald das p-Orbital komplett mit 8 Elektronen gefüllt ist. Alle übrigen Elemente, die keine komplette äußere Atomschalen haben, streben naturgemäß den Zustand der Edelgase an. Das macht sich auch bei Atomverbindungen bemerkbar.

Verbindet man z.B. ein Atom mit 2 und ein anderes Atom mit 6 Valenzelektronen, betrachtet das eine Atom die 2 Valenzelektronen überflüssig und möchte diese abgeben, damit es wieder eine komplette, äußere Atomschale hat. Das andere Atom mit 6 Valenzelektronen möchte unbedingt 2 weitere Elektronen bekommen, damit die äußere Atomschale komplettiert ist. Deshalb wandern bei einer solchen Verbindung die 2 Valenzelektronen zum anderen Atom über und es gibt eine chemische Reaktion. Elektronen abgebende Atome werden positiv geladen und man nennt sie Kationen. Atome, die Elektronen erhalten, werden negativ geladen und werden Anionen genannt. Es erfolgt eine Ionenbindung zwischen Kationen und Anionen, da sich positiv und negativ geladene Atome anziehen. Durch solche Ionenbindung erhält man z.B. Kochsalz (Natriumclorid). Das Natrium hat ein überflüssiges Elektron, das Chlorid benötigt ein Elektron, um den Zustand eines Edelgases zu erreichen.

Verbindet man Atome, die keine komplette äußere Atomschalen besitzen, mit Edelgasen, erfolgt keine chemische Reaktion. Das Edelgas hat nämlich bereits eine komplette, äußere Atomschale und ist somit "edel". Ein Austausch an Elektronen ist nicht notwendig und findet daher nicht statt.

Es kommt natürlich auch vor, dass beide Atome Elektronen benötigen und deshalb kein Valenzelektron abgeben können. Die Natur hat auch für solche Fälle eine Lösung. Die benötigten Valenzelektronen werden in solchen Fällen zwar nicht abgegeben, jedoch geteilt, so dass beide Atome diese nutzen können. Wenn man z.B. zwei Atome mit jeweils 6 Valenzelektronen hat, dann benötigen beide Atome 2 Elektronen. In einem solchen Fall stellt jedes Atom 2 Valenzelektronen zur Verfügung und beide können auf diese Art und Weise 4 Elektronen nutzen, obwohl nur 2 Elektronen zur Verfügung gestellt wurden. Solche Bindungen werden kovalente Bindungen oder unpolare Atombindungen genannt und sie kommen häufig bei gleichartigen Atomen vor, z.B. bei Halbleitern, wo jedes Atom nur 4 Valenzelektronen besitzt und deshalb alle Valenzelektronen mit anderen Atomen geteilt werden, damit alle Atome auf eine Anzahl von 8 Valenzelektronen kommen.

Bei unpolaren, kovalenten Bindungen werden die Bindungselektronen von beiden Atomen mit der gleichen Kraft angezogen. Es kommt auch vor, dass die Elektronen von einem Atom stärker angezogen werden als von dem anderen Atom. In dem Fall spricht man von polaren, kovalenten Bindungen. Das passiert, wenn ein Atom eine größere Elektronegativität hat und deshalb die Elektronen stärker anzieht. Der Unterschied zwischen der Ionenbindung und der polaren, kovalenten Bindung ist, dass bei der Ionenbindung die Elektronegativität eines Atoms so stark ist, dass das Elektron komplett zum anderen Atom übergeht, so dass sich Ionen bilden. Bei der polaren Atombindung ist die Elektronegativität nicht so stark ausgeprägt, so dass das Elektron zwar angezogen wird, trotzdem beim anderen Atom verbleibt. Es ist ein Zwischenstadium zwischen der unpolaren, kovalenten Bindung und der Ionenbindung.

Atome können nicht nur eine Bindung mit einem anderen Atom eingehen, sondern mehrere. Wenn ein Atom beispielsweise 6 Valenzelektronen hat und mit Atomen verbunden wird, die nur 1 Valenzelektron haben, kann sich das Atom gleichzeitig mit 2 Atomen verbinden. Auch so kommt man auf 8 Valenzelektronen. Eine solche Bindung ist z.B. Wasser. Es besteht aus Sauerstoff mit 6 Valenzelektronen und verbindet sich mit 2 Wasserstoffatomen, die jeweils 1 Valenzelektron haben.

Metalle haben die besondere Eigenschaft, dass sie nur 1 bis 3 freie Elektronen haben. Dadurch können sie keine kovalenten Bindungen mit den Nachbaratomen eingehen. Da sie ebenfalls den Zustand der Edelgase anstreben, geben sie all ihre Valenzelektronen ab, die dadurch zu freien Elektronen werden und zur Verfügung stehen.