Alschemische Verbindung bezeichnet man einenReinstoff, dessen kleinste Einheiten (zum BeispielMoleküle) ausAtomen von zwei oder mehrerenchemischen Elementen besteht, wobei – im Gegensatz zuGemischen – die Atomarten zueinander in einem festenstöchiometrischen Verhältnis stehen.[1] Das zahlenmäßige Verhältnis der Atome zueinander wird durchchemische Bindungen zwischen den Atomen bestimmt, und das Verhältnis lässt sich in einerSummenformel darstellen. Eine Summenformel ist jedoch oft nicht eindeutig, daisomere Verbindungen dieselbe Summenformel haben, aber unterschiedliche Verbindungen sind. Charakteristisch für jede chemische Verbindung ist ihre eindeutigechemische Struktur.
Bei den mehr als 150 Millionen (Stand: Mai 2019)[2] bekannten chemischen Verbindungen unterscheidet man grobionische odersalzartige Verbindungen sowie Komplexe,metallische undmolekulare Verbindungen. Auch die Unterteilunganorganisch oder organisch ist grundlegend, wobei als „organisch“ – mit wenigen Ausnahmen – die Kohlenstoff-Verbindungen bezeichnet werden. Es gibt deutlich mehr organische Verbindungen als anorganische Verbindungen.
Eine genauere Unterscheidung von Verbindungen und deren Zuordnung zu einem dieser vier Typen kann mit Hilfe derElektronegativitätsdifferenz der an der Bindung beteiligten Elemente vorgenommen werden. Zudem gibt es Übergangsformen zwischen den vier o. g. Idealtypen.
Molekulare Verbindungen entstehen typischerweise ausNichtmetall 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 imKohlenmonoxid, CO), aus drei Atomen (zum Beispiel imKohlendioxid) oder auch aus einigen Tausend oder Zehntausend Atomen (Riesenmoleküle,Polymere, zum Beispiel imKunststoffPolyethylen oder im Erbgut-MolekülDesoxyribonukleinsäure DNA). Die Atome in den Molekülen sind überkovalente Bindungen verknüpft, das heißt, dass die miteinander verbundenen Atome Paare von Außenelektronen gemeinsam nutzen (Elektronenpaarbindung).
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 BeispielOxide (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 vonSulfaten,Chloraten,Nitraten,Carbonaten usw.
Intermetallische Verbindung (umgangssprachlich oft auch alsLegierungen 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. unterBronzezeit).
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 sindBronze (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, dasMagnesiumsilicid Mg2Si, die Bronze Cu4Sn sowie dasZementit Fe3C (aus Eisen und Kohlenstoff, wobei dieser sich wie ein Metall verhält) und WC (Wolframcarbid).
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 einerKomplexbildungsreaktion zumeist aus Buntmetallkation und Molekülen mit freien Elektronenpaaren (Liganden). Sie sind oft auffallend farbig.
Chemische Verbindungen lassen sich auch über die Anzahl der beteiligten chemischen Elemente einteilen.
Binäre Verbindungen setzen sich auszwei verschiedenen Elementen zusammen und haben die allgemeine Formel AxBy.Chlorwasserstoff (HCl),Natriumfluorid (NaF) undWasser (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 sichternäre Verbindungen aus drei verschiedenen Elementen zusammen, wie zum BeispielNatriumcarbonat (Na2CO3), das sich aus Natrium, Kohlenstoff und Sauerstoff zusammensetzt.
Der Begriffprimäre Verbindung ergibt hingegen keinen Sinn, da definitionsgemäß chemische Verbindungen aus mindestens zwei Elementen zusammengesetzt sein müssen. Unterschiedliche Stoffe aus nur einem Element werdenModifikationen genannt. Gelegentlich wird auch der BegriffElementverbindung verwendet.
Alle molekulare Verbindungen des Kohlenstoffs mit Ausnahme der Wasserstoff-freienChalkogenide wieKohlenmonoxid, Kohlendioxid oderSchwefelkohlenstoff und deren Derivate, der metallischen oder salzartigen Carbide und derMetallcarbonyle werden als organische Verbindungen bezeichnet.[3] Sie bilden den weitaus größten Teil aller chemischen Verbindungen und leiten sich vomMethangas, der Gruppe derAlkane bzw. denKohlenwasserstoffen ab. Im Kohlenwasserstoffgerüst organischer Verbindungen befinden sich oft weitere Atomgruppen, die die Eigenschaften der organischen Verbindung beeinflussen.
DemKohlenstoffgerüst entsprechend werden organische Verbindungen unterteilt in:
