Chemische Verbindung

Definition und grundlegende Einteilung

Eine chemische Verbindung ist ein Reinstoff, dessen kleinste Einheiten, zum Beispiel Moleküle, aus Atomen von mindestens zwei verschiedenen chemischen Elementen bestehen. Im Unterschied zu einem Gemisch stehen die Atomarten in einem festen stöchiometrischen Verhältnis, also in einem genau bestimmten Zahlenverhältnis. Dieses Verhältnis wird durch chemische Bindungen zwischen den Atomen bestimmt und kann mit einer Summenformel angegeben werden.

Eine Summenformel ist jedoch nicht immer eindeutig: Isomere Verbindungen besitzen dieselbe Summenformel, unterscheiden sich aber in ihrer chemischen Struktur. Die eindeutige chemische Struktur ist daher ein wesentliches Kennzeichen einer Verbindung.

Stand Mai 2019 waren mehr als 150 Millionen chemische Verbindungen bekannt. Nach der Art der Bindung unterscheidet man grob vier Gruppen:

• molekulare Verbindungen, meist aus Nichtmetallen,
• ionische Verbindungen beziehungsweise Salze, meist aus Metallen und Nichtmetallen,
• metallische beziehungsweise intermetallische Verbindungen aus Metallen,
• Komplexe aus Metall-Kationen und Ionen oder Molekülen.

Für eine genauere Zuordnung kann die Elektronegativitätsdifferenz der beteiligten Elemente herangezogen werden. Zwischen den vier Idealtypen gibt es Übergangsformen. Zusätzlich ist die Einteilung in anorganische und organische Verbindungen grundlegend. Als organisch bezeichnet man mit wenigen Ausnahmen die Kohlenstoff-Verbindungen; organische Verbindungen bilden den weitaus größeren Teil aller bekannten Verbindungen.

Molekulare und ionische Verbindungen

Molekulare Verbindungen entstehen typischerweise aus Nichtmetall und Nichtmetall. Ihre kleinsten Teilchen sind neutrale Atomverbände, die Moleküle. Diese können aus zwei Atomen bestehen, etwa Kohlenmonoxid (CO), aus drei Atomen, etwa Kohlendioxid, oder aus einigen Tausend beziehungsweise Zehntausend Atomen. Solche Riesenmoleküle beziehungsweise Polymere kommen beispielsweise in Polyethylen oder im Erbgut-Molekül Desoxyribonukleinsäure (DNA) vor.

Die Atome eines Moleküls sind durch kovalente Bindungen verbunden. Dabei nutzen die beteiligten Atome Paare von Außenelektronen gemeinsam; man spricht auch von Elektronenpaarbindungen. Molekulare Verbindungen sind Nichtleiter beziehungsweise Isolatoren und besitzen meist einen relativ niedrigen Siedepunkt. Ausnahmen bilden diamantartige oder kunststoffartige Verbindungen mit Riesenmolekülen. Je nach Stoff können molekulare Verbindungen bei Raumtemperatur flüssig, gasförmig oder fest beziehungsweise wachs- bis kunststoffartig sein. Beispiele sind Wasser, Methangas, Zucker, Kohlendioxid und Polyethylen.

Ionische Verbindungen oder Salze bestehen aus positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen. Sie sind häufig spröde und kristallförmig, haben hohe Schmelz- und Siedepunkte und leiten elektrischen Strom nur in der Schmelze oder in Lösung. Bei ihrer Bildung geben Metallatome Elektronen ab; dies wird als Oxidation bezeichnet. Nichtmetallatome nehmen diese Elektronen auf; dieser Vorgang heißt Reduktion. Die entstehenden Metall-Kationen und Nichtmetall-Anionen ziehen sich elektrisch an und bilden Ionenkristalle.

Je nach beteiligtem Nichtmetall unterscheidet man unter anderem Oxide, Sulfide, Fluoride, Chloride, Bromide, Iodide, Nitride, Carbide und Hydride. Kommt Sauerstoff als drittes Element hinzu, entstehen beispielsweise Sulfate, Chlorate, Nitrate oder Carbonate. Beispiele für Ionenverbindungen sind Eisen(III)-oxid, Pyrit (Eisensulfid), Natriumchlorid (Kochsalz) und Calciumsulfat (Gips).

Intermetallische Verbindungen und Komplexe

Intermetallische Verbindungen entstehen aus Metall und Metall. Sie sind elektrisch leitfähig, gut verformbar, glänzend und gute Wärmeleiter; bei Zimmertemperatur sind sie meistens fest.

Eine Legierung kann durch die Vereinigung verschiedener Metalle, insbesondere beim Zusammengießen von Metallschmelzen, in beliebigen Mengenverhältnissen entstehen. Bei einer eigentlichen intermetallischen Verbindung liegen die beteiligten Elemente dagegen in ganz bestimmten Mengenverhältnissen vor. Man spricht dann von einer intermetallischen Phase mit stöchiometrischer Zusammensetzung.

Beispiele für Legierungen sind Bronze aus Kupfer und Zinn, Messing aus Kupfer und Zink sowie Kupfernickel als Münzmetall. Beispiele für intermetallische Verbindungen sind Mg₂Ge, Al₂Cu, Magnesiumsilicid (Mg₂Si), Bronze (Cu₄Sn), Zementit (Fe₃C) und Wolframcarbid (WC). Beim Zementit verhält sich der Kohlenstoff wie ein Metall.

Komplexe, auch Verbindungen höherer Ordnung genannt, entstehen meist bei einer Komplexbildungsreaktion aus einem Buntmetallkation und Molekülen mit freien Elektronenpaaren. Diese Moleküle heißen Liganden. Komplexe sind oft auffallend farbig. Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin ist ein Eisenkomplex aus Eisen-II-Ionen und Proteinen. Seine Struktur verändert sich bei der Aufnahme von Sauerstoff (Oxygenation) und bei dessen Abgabe (Desoxygenation). Ein weiteres Beispiel ist der tiefblaue Kupfertetrammin-Komplex aus Kupfer-II-Ionen und Ammoniak.

Binäre, ternäre und quaternäre Verbindungen

Verbindungen können nach der Anzahl der verschiedenen beteiligten chemischen Elemente eingeteilt werden. Binäre Verbindungen enthalten zwei verschiedene Elemente und besitzen die allgemeine Formel AₓBᵧ. Chlorwasserstoff (HCl), Natriumfluorid (NaF) und Wasser (H₂O) sind binäre Verbindungen, obwohl sie unterschiedlichen Bindungstypen angehören können: Sie können molekular, ionisch oder intermetallisch sein.

Ternäre Verbindungen bestehen aus drei verschiedenen Elementen. Ein Beispiel ist Natriumcarbonat (Na₂CO₃), das aus Natrium, Kohlenstoff und Sauerstoff zusammengesetzt ist. Quaternäre Verbindungen enthalten vier verschiedene Elemente; ein Beispiel ist Kaliumhydrogencarbonat (KHCO₃).

Der Ausdruck „primäre Verbindung“ ist nicht sinnvoll, weil chemische Verbindungen definitionsgemäß aus mindestens zwei Elementen bestehen. Stoffe, die nur aus einem Element bestehen, werden bei unterschiedlichen Erscheinungsformen Modifikationen genannt. Gelegentlich wird für chemische Verbindungen auch der Begriff Elementverbindung verwendet.

Organische Verbindungen und ihre Unterteilungen

Als organische Verbindungen bezeichnet man alle molekularen Verbindungen des Kohlenstoffs mit bestimmten Ausnahmen. Nicht dazu gehören die wasserstofffreien Chalkogenide wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefelkohlenstoff sowie deren Derivate, metallische oder salzartige Carbide und Metallcarbonyle. Organische Verbindungen leiten sich vom Methangas beziehungsweise von den Alkanen und allgemein den Kohlenwasserstoffen ab. In ihrem Kohlenstoffgerüst befinden sich häufig weitere Atomgruppen, die ihre Eigenschaften beeinflussen.

Nach dem Aufbau des Kohlenstoffgerüsts werden organische Verbindungen eingeteilt in:

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

Eine weitere Einteilung erfolgt nach funktionellen Gruppen, also charakteristischen Atomgruppen, die die Eigenschaften bestimmen. Dazu zählen Sauerstoff- und Hydroxyverbindungen wie Alkohole, Aldehyde, Ester, Ether, Ketone und Carbonsäuren; Stickstoffverbindungen wie Amine, Amide, Nitroverbindungen und Nitrile; Schwefelverbindungen wie Alkanthiole, Sulfide, Disulfide, Sulfone und Sulfoxide; außerdem Phosphorverbindungen wie Phosphate und Phosphine sowie metallorganische Verbindungen.

Daneben gibt es organische Salze, beispielsweise Hydrochloride und Hydrobromide. Carbonate gehören dagegen nicht zu den organischen Salzen, da sie als Verbindungen der per Definition anorganischen Kohlensäure (H₂CO₃) gelten.