Chemische Verbindung

Als chemische Verbindung bezeichnet man einen Reinstoff, der aus Atomen von zwei oder mehreren chemischen Elementen besteht, wobei – im Gegensatz zu Gemischen – die Atomarten zueinander in einem festen stöchiometrischen Verhältnis stehen.[1] Das zahlenmäßige Verhältnis der Atome zueinander wird durch chemische Bindungen zwischen den Atomen bestimmt, und das Verhältnis lässt sich in einer Summenformel darstellen. Eine Summenformel ist jedoch oft nicht eindeutig, da isomere Verbindungen dieselbe Summenformel haben, aber unterschiedliche Verbindungen sind. Charakteristisch für jede chemische Verbindung ist ihre eindeutige chemische Struktur.

Arten von chemischen Verbindungen

Bei den mehr als 150 Millionen (Stand: Mai 2019)[2] bekannten chemischen Verbindungen unterscheidet man grob ionische oder salzartige Verbindungen sowie Komplexe, metallische und molekulare Verbindungen. Auch die Unterteilung anorganisch oder organisch ist grundlegend, wobei als „organisch“ – mit wenigen Ausnahmen – die Kohlenstoff-Verbindungen bezeichnet werden. Es gibt deutlich mehr organische Verbindungen als anorganische Verbindungen.

Grundsätzlich gibt es also im Hinblick auf die Art der Bindung zwischen den beteiligten Elementen vier Arten von chemischen Verbindungen:

Molekulare Verbindungen (in der Regel aus einem nichtmetallischen Element und einem oder mehreren weiteren Nichtmetallen)
ionische Verbindungen (in der Regel aus einem Metall und einem oder mehreren Nichtmetallen)
metallische Verbindungen (aus Metallen)
Komplexe Verbindungen (aus Metall-Kationen und Ionen oder Molekülen)

Eine genauere Unterscheidung von Verbindungen und deren Zuordnung zu einem dieser vier Typen kann mit Hilfe der Elektronegativitätsdifferenz der an der Bindung beteiligten Elemente vorgenommen werden. Zudem gibt es Übergangsformen zwischen den vier o. g. Idealtypen.

Molekulare Verbindungen

Wasser: Molekulare Verbindungen sind bei Raumtemperatur flüssig, gasförmig, fest oder wachs- bis kunststoffartig.

Molekulare Verbindungen entstehen typischerweise aus Nichtmetall und Nichtmetall – sie sind Nichtleiter (Isolatoren) mit zumeist relativ niedrigem Siedepunkt (diamantartige oder kunststoffartige Verbindungen mit Riesenmolekülen ausgenommen).

Die kleinsten Teilchen molekularer Verbindungen sind neutrale Atomverbände (Moleküle). Diese bestehen aus zwei Atomen (zum Beispiel im Kohlenmonoxid, CO), aus drei Atomen (zum Beispiel im Kohlendioxid) oder auch aus einigen Tausend oder Zehntausend Atomen (Riesenmoleküle, Polymere, zum Beispiel im Kunststoff Polyethylen oder im Erbgut-Molekül Desoxyribonukleinsäure DNA). Die Atome in den Molekülen sind über kovalente Bindungen verknüpft, das heißt, dass die miteinander verbundenen Atome Paare von Außenelektronen gemeinsam nutzen (Elektronenpaarbindung).

Beispiele für molekulare Verbindungen sind neben Wasser auch Methangas, Zucker, Kohlendioxid, Polyethylen usw.

Ionische Verbindungen

Eisensulfidmineral (Pyrit) – eine Verbindung aus Eisen- und Sulfid-Ionen

Kochsalzkristall

Ionische Verbindungen (Salze) bestehen aus Kationen und Anionen. Sie sind oft salzartig:

spröde,
kristallförmig,
von hohem Schmelz- und Siedepunkt und
elektrisch leitfähig nur in Schmelze oder Lösung.

Die Ionen entstehen bei der Reaktion von Metall- und Nichtmetallatomen dadurch, dass die Metallatome Elektronen abgeben (Oxidation), die dann von den Nichtmetallatomen aufgenommen werden (Reduktion). Die so gebildeten Metall-Kationen und Nichtmetall-Anionen vereinigen sich auf Grund der elektrischen Anziehungskräfte zu Ionenkristallen. Nach den Nichtmetallen unterscheidet man bei ionischen Verbindungen zum Beispiel Oxide (Sauerstoff als Anion), Sulfide (mit Schwefel), Fluoride, Chloride, Bromide, Iodide, Nitride (mit Stickstoff), Carbide (mit Kohlenstoff), Hydride (mit Wasserstoff) usw. Oft kommt Sauerstoff als drittes Element hinzu; man spricht dann von Sulfaten, Chloraten, Nitraten, Carbonaten usw.

Beispiele für Ionenverbindungen sind Eisen(III)-oxid (dem Rost ähnlich), Pyrit (Eisensulfid), Natriumchlorid (Kochsalz) und Calciumsulfat (Gips).

Intermetallische Verbindung

Intermetallische Verbindung (umgangssprachlich oft auch als Legierungen bezeichnet) entstehen aus Metall und Metall – sie sind:

elektrisch leitfähig,
gut verformbar,
glänzend,
gute Wärmeleiter und
bei Zimmertemperatur meistens fest.

Beile aus Bronzelegierungen. Bronze war der erste von Menschen hergestellte Werkstoff (s. unter Bronzezeit).

Die Vereinigung von unterschiedlichen Metallen zu Legierungen kann – insbesondere beim Zusammengießen von Metallschmelzen – in beliebigen Mengenverhältnissen erfolgen.

Wenn sich jedoch „intermetallische Verbindungen“ bilden, so sind in ihnen die beteiligten Elemente nur in ganz bestimmten Mengenverhältnissen enthalten („intermetallische Phase“, „stöchiometrische Zusammensetzung“).

Beispiele für Legierungen sind Bronze (aus Kupfer und Zinn), Messing (Kupfer mit Zink) und Kupfernickel (als Münzmetall). Beispiele für intermetallische Verbindungen sind die zwischen Magnesium und Germanium (Formel: Mg₂Ge), das Al₂Cu, das Magnesiumsilicid Mg₂Si, die Bronze Cu₄Sn sowie das Zementit Fe₃C (aus Eisen und Kohlenstoff, wobei dieser sich wie ein Metall verhält) und WC (Wolframcarbid).

Komplexe

Der Blutfarbstoff Hämoglobin – ein Eisenkomplex im Blut, dessen Struktur sich mit der Aufnahme (Oxygenation) bzw. der Abgabe von Sauerstoff (Desoxygenation) ändert (Komplexbildungsreaktion).

Verbindungen höherer Ordnung (Komplexe) entstehen bei einer Komplexbildungsreaktion zumeist aus Buntmetallkation und Molekülen mit freien Elektronenpaaren (Liganden). Sie sind oft auffallend farbig.

Beispiele: Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin aus Eisen-II-Ionen und Eiweißmolekülen und der tiefblaue Kupfertetrammin-Komplex aus Kupfer-II-Ionen und Ammoniak.

Binäre, ternäre und quaternäre Verbindungen

Chemische Verbindungen lassen sich auch über die Anzahl der beteiligten chemischen Elemente einteilen.

Binäre Verbindungen setzen sich aus zwei verschiedenen Elementen zusammen und haben die allgemeine Formel A_xB_y. Chlorwasserstoff (HCl), Natriumfluorid (NaF) und Wasser (H₂O) setzen sich jeweils aus zwei Elementen zusammen und sind damit alle binäre Verbindungen. Die Verbindungen können molekulare, ionische (Salze) oder intermetallische Verbindungen sein.

Analog dazu setzen sich ternäre Verbindungen aus drei verschiedenen Elementen zusammen, wie zum Beispiel Natriumcarbonat (Na₂CO₃), das sich aus Natrium, Kohlenstoff und Sauerstoff zusammensetzt.

Eine quaternäre Verbindung ist beispielsweise Kaliumhydrogencarbonat (KHCO₃).

Der Begriff primäre Verbindung ergibt hingegen keinen Sinn, da definitionsgemäß chemische Verbindungen aus mindestens zwei Elementen zusammengesetzt sein müssen. Unterschiedliche Stoffe aus nur einem Element werden Modifikationen genannt. Gelegentlich wird auch der Begriff Elementverbindung verwendet.

Organische Verbindungen

Molekulare Verbindungen, in denen Kohlenstoff in Verbindung mit Wasserstoff enthalten ist, werden als „organisch“ bezeichnet. Sie bilden den weitaus größten Teil aller chemischen Verbindungen und leiten sich vom Methangas, der Gruppe der Alkane bzw. den Kohlenwasserstoffen ab. Im Kohlenwasserstoffgerüst organischer Verbindungen befinden sich oft weitere Atomgruppen, die die Eigenschaften der organischen Verbindung beeinflussen.

Dem Kohlenstoffgerüst entsprechend werden organische Verbindungen unterteilt in:

aliphatische Kohlenwasserstoffe (Aliphaten, hierunter acyclische Kohlenwasserstoffe, gesättigte (Alkane), ungesättigte (Alkene und Alkine) und cyclische Kohlenwasserstoffe),
aromatische Kohlenwasserstoffe (Aromaten, unterteilt in einfache Aromaten und kondensierte Aromaten),
Heterocyclen (Pyridin, Furan usw.) sowie
biochemische Verbindungen (Alkaloide, Aminosäuren, Fette, Kohlenhydrate, Proteine, Steroide, Terpene, Vitamine usw.).

Den funktionellen Gruppen entsprechend teilt man organische Verbindungen ein in

Sauerstoff- und Hydroxyverbindungen (Alkohole, Aldehyde, Ester, Ether, Ketone, Carbonsäuren usw.),
Stickstoffverbindungen (Amine, Amide, Nitroverbindungen, Nitrile),
Schwefelverbindungen (Alkanthiole, Sulfide und Disulfide, Ester der Schwefelsäure, Sulfone, Sulfoxide, Thionamide, Thiolester, Thiosäure),
Phosphorverbindungen (Phosphate, Phosphine),
metallorganische Verbindungen et cetera.

Daneben gibt es organische Salze, z. B. Hydrochloride und Hydrobromide. Als Verbindungen der per Definition anorganischen Kohlensäure (H₂CO₃) zählen Carbonate jedoch nicht dazu.

Schemaeinteilung der chemischen Stoffe

Schematische Einteilung der Stoffe

Stoff

(Stoff)gemisch

Reinstoff

homogenes
(Stoff)gemisch

Verbindung

Element

Gasgemisch
Gemisch mehrerer
Gase

Legierung
Gemisch mit Metalleigenschaften,
enthält mindestens ein Metall

Lösung
Festkörper, Flüssigkeit,
Gas in einer Flüssigkeit gelöst

molekular

ionisch

heterogenes
(Stoff)gemisch

Schaum
Gasförmige Bläschen in
einer Flüssigkeit

Hartschaum
Gasförmige Bläschen in
einem Festkörper

Aerosol

Suspension
Feste Teilchen in
einer Flüssigkeit

Emulsion
Gemisch mehrerer nicht
mischbarer Flüssigkeiten

Festes Gemenge
Gemisch mehrerer nicht
mischbarer Feststoffe

Rauch
Feste Teilchen
in einem Gas

Nebel
Flüssige Teilchen
in einem Gas

Siehe auch

Weblinks

Wiktionary: chemische Verbindung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Chemische Verbindungen nach ihren Hauptelementen (Memento vom 7. April 2015 im Internet Archive) (englisch)

Einzelnachweise

Eintrag zu chemische Verbindungen. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 16. Juni 2014.
CAS reaches 150 millionth substance. Chemical Abstracts Service, 30. Mai 2019.

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[1] Eintrag zu chemische Verbindungen. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 16. Juni 2014.

[2] CAS reaches 150 millionth substance. Chemical Abstracts Service, 30. Mai 2019.