Die Struktur von Methan
Die einfachste Möglichkeit eines Kohlenstoffatoms eine Edelgaskonfiguration zu erhalten ist die Reaktion mit Wasserstoff-Atomen. Dabei entsteht die Verbindung Methan. Ein Methan-Molekül besteht aus einem Kohlenstoff-Atom und vier Wasserstoff-Atomen.
Summenformel: CH4
Indirekter Nachweis der an einem Methan-Molekül beteiligten Atomearten (Elemente)
Verbrennt man Methan, so kann man Kohlenstoffdioxid und Wasser(dampf) als Verbrennungsprodukte nachweisen. Daraus kann man schlussfolgern, dass Methan eine Verbindung aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen sein muss. Kohlenstoff-Atome verbrennen mit dem Luftsauerstoff zu Kohlenstoffdioxid, Wassestoff-Atome verbrennen mit dem Luftsauerstoff zu Wasserstoffoxid [=Wasser]).
Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung
Nach dem Schalenmodell:
Benutzt ein Kohlenstoff-Atom die Elektronen von vier Wasserstoff-Atomen mit, so besitzt es 8 Valenzelektronen. Die Oktettregel ist erfüllt. Jeweils ein Wasserstoff-Atom benutzt ein Elektron eines Kohlenstoff-Atoms mit und erhält dadurch ebenfalls eine vollbesetzte Schale.
Kommt eine Bindung zwischen Atomen durch die gemeinsame Benutzung von Elektronen zustande, so bezeichnet man diese Bindung als Atombindung (Elektronenpaarbindung, kovalente Bindung).
Strukturformelschreibweise (Lewisformel):
Was sowohl beim Schalenmodell, als auch bei der Lewisformel nicht sichtbar wird, ist die geometrische Anordung der Wasserstoff-Atome um das Kohlenstoff-Atom herum, da beide Darstellungsformen planar, also zweidimensional sind.
Die vier Wasserstoff-Atome im Methan-Molekül versuchen einen möglichst großen Abstand zueinander einzunehmen. Dabei entsteht eine tetraedrische Anordnung der Wasserstoff-Atome.
Das Kugelwolkenmodell kann dies besser als das Schalenmodell berücksichtigen:
Nach dem Kugelwolkenmodell (KWM):
Das Kohlenstoff-Atom besitzt nach dem KWM im äußeren Aufenthaltsbereich vier mit jeweils einem Elektron besetze Kugelwolken (hellblau dargestellt). Ein Wasserstoff-Atom besitzt Aufenthaltsbereich eine mit einem Elektron besetzte Kugelwolke. Durch Überlappung aller halbbesetzten Kugelwolken des Kohlenstoff-Atoms mit jeweils einer halbbesetzten Kugelwolke der vier Wasserstoff-Atomen entstehen vier Atombindungen. Die dunkelblauen Kugel-Bindungs-Wolken sind mit jeweils zwei Elektronen, also voll besetzt (dunkelblaue Darstellung):
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