Bindefähigkeit

Die Wertigkeit oder Valenz eines Atoms oder einer Gruppe von Atomen innerhalb einer chemischen Verbindung wurde 1852 vom englischen Chemiker Edward Frankland eingeführt und gab ursprünglich an, wie viele Atome Wasserstoff das Atom oder die Gruppe an sich binden kann. Der Begriff wurde vielfach erweitert und steht nun in verschiedenen Bereichen der Chemie je nach Kontext für die stöchiometrische Wertigkeit, die Ionenwertigkeit, die Bindigkeit (Bindungswertigkeit, Kovalenz) oder die koordinative Wertigkeit (Koordinationszahl).^[1][2] Ergänzt man die ursprünglich vorzeichenlose stöchiometrische Wertigkeit je nach Polarität einer Bindung um ein positives oder negatives Vorzeichen, erhält man die elektrochemische Wertigkeit oder Oxidationszahl eines Atoms innerhalb einer Verbindung. Bestimmt wird die Wertigkeit eines Elements durch seine Elektronenkonfiguration,^[3] weshalb auch Elemente derselben Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente dieselbe Wertigkeit aufweisen. Bei den meist metallischen Nebengruppenelementen besitzen Elemente einer Gruppe zumindest ähnliche Wertigkeiten.

Geschichte

1852 stellte der englische Chemiker Sir Edward Frankland fest, dass jedes Atom eine bestimmte Bindefähigkeit gegenüber anderen Atomen hat. Aus dieser Feststellung entstand der Begriff der Wertigkeit.

In der modernen Chemie spielt der Begriff der Wertigkeit nur noch eine untergeordnete Rolle und wird heute häufig als Synonym zur Oxidationszahl verwendet, wobei beide Zahlen aber nur in ionischen Verbindungen gleich sind. Im modernen Atombild entstehen Bindungen durch Orbital-Wechselwirkungen, so dass die Zahl und Art der für chemische Bindungen zur Verfügung stehenden Orbitale die „Bindefähigkeit“ bestimmt. So kennt man beispielsweise für Sauerstoff, der nach alter Definition eine Wertigkeit von II besitzt, auch kovalent aufgebaute Verbindungen mit einer, zwei, drei oder sogar vier Bindungen. Darüber hinaus können sogenannte Mehrzentrenbindungen auftreten und der Übergang von kovalenten zu ionischen Wechselwirkungen ist häufig fließend, so dass auch höhere Koordinationszahlen auftreten, als es der Zahl der Valenzorbitale des betrachteten Atoms entspricht.

Die Stöchiometrische Wertigkeit

Beispiele

Die Wertigkeit von Hauptgruppenelementen gegenüber Fluor und Sauerstoff

Die maximale Wertigkeit eines chemischen Elements aus einer der Hauptgruppen des Periodensystems gegenüber den elektronegativsten Nichtmetallen Fluor und Sauerstoff entspricht fast immer der Hauptgruppennummer des chemischen Elements.

Die Elemente der VIII. Hauptgruppe bilden dabei eine Ausnahme, da diese Edelgase nur unter extremen Bedingungen (siehe: Edelgasverbindungen) chemischen Bindungen eingehen.

Wertigkeit von Hauptgruppenelementen mit griechischen Zahlworten

Die einfachste Darstellung der Wertigkeit ist über griechische Zahlwörter möglich, die dabei den Index des im Namen nachstehenden Elements angeben, zum Beispiel:

• Kohlenstoffdioxid → CO₂
• Stickstofftrifluorid → NF₃
• Schwefeltrioxid → SO₃

Die Wertigkeit von Nebengruppenelementen

Die meist metallischen Nebengruppenelemente besitzen in der Regel die Wertigkeit I, II, III oder IV, können aber auch höhere Wertigkeiten haben. Um die Wertigkeit des jeweiligen Nebengruppenelementes anzugeben, gibt es neben den griechischen Zahlworten noch eine andere Möglichkeit.

Wertigkeit von Nebengruppenelementen mit deutschen Zahlworten

Das deutsche Zahlwort für die römische Ziffer gibt die Wertigkeit des im Namen voranstehenden Elements an, zum Beispiel:

• Kupfer(I)-oxid (sprich „Kupfer-Eins-Oxid“) → Cu₂O
• Eisen(III)-oxid (sprich „Eisen-Drei-Oxid“) → Fe₂O₃
• Cer(IV)-oxid (sprich „Cer-Vier-Oxid“) → CeO₂

Die Wertigkeit von Hauptgruppenelementen gegenüber Wasserstoff

Jedes Hauptgruppenelement der Gruppe I bis VII hat gegenüber Wasserstoff zwei mögliche Wertigkeiten:

1. die Wertigkeit, die seiner Hauptgruppennummer entspricht.
2. die Wertigkeit, die der Differenz zwischen 8 und der Hauptgruppennummer entspricht.

Hierbei ist die jeweils kleinere Wertigkeit die häufigere. Die Elemente der VIII. Hauptgruppe sind dabei nicht mit einbegriffen, da diese Edelgase sind und in der Regel keine chemischen Verbindungen eingehen.

Berechnung der Wertigkeit in chemischen Verbindungen

Aus Atomen zweier verschiedener chemischer Elemente

Zur Berechnung von chemischen Verbindungen aus Atomen zweier chemischer Elemente muss das kleinste gemeinsame Vielfache (kurz: KGV) der Wertigkeiten der beiden beteiligten chemischen Elemente gebildet werden. Um nun die Zahl der in der Verbindung vorhandenen Atome des jeweiligen Elements zu ermitteln, muss das KGV durch die Wertigkeit dividiert werden.

Beispiel 1: Die Ermittlung der chemischen Formel von Wasser

• Die Wertigkeit von Wasserstoff ist:

  I, da Wasserstoff in der I. Hauptgruppe steht.

• Die Wertigkeit von Sauerstoff ist:

  VIII − VI = II, da Sauerstoff in der VI. Hauptgruppe steht.

• Das KGV heißt:

  $2 \cdot 1 = 2$.

• Die Zahl der beteiligten Sauerstoff-Atome ist:

  $\frac{KGV}{\text{Wertigkeit}_{\rm Sauerstoff}} = \frac{2}{2} = 1$.

• Die Zahl der beteiligten Wasserstoff-Atome ist:

  $\frac{KGV}{\text{Wertigkeit}_{\rm Wasserstoff}} = \frac{2}{1} = 2$.

• Die chemische Formel lautet:

  $\mathrm{H_2O_1 \ }$,

  und da die Eins (1) im Index von Sauerstoff (O) nicht mit notiert wird:

  $\mathrm{H_2O \ }$.

Beispiel 2: Die Ermittlung der chemischen Formel von Aluminiumoxid

• Die Wertigkeit von Aluminium ist:

  III, da Aluminium in der III. Hauptgruppe steht.

• Wertigkeit von Sauerstoff ist:

  VIII − VI = II, da Sauerstoff in der VI. Hauptgruppe steht.

• Das KGV heißt:

  $3 \cdot 2 = 6$.

• Die Zahl der beteiligten Sauerstoff-Atome ist:

  $\frac{KGV}{\text{Wertigkeit}_{\rm Sauerstoff}} = \frac{6}{2} = 3$.

• Die Zahl der beteiligten Aluminium-Atome ist:

  $\frac{KGV}{\text{Wertigkeit}_{\rm Aluminium}} = \frac{6}{3} = 2$.

• Die chemische Formel lautet:

  $\mathrm{Al_2O_3 \ }$.

Beispiel 3: Die Ermittlung der chemischen Formel von Ammoniak

• Die Wertigkeit von Stickstoff ist:

  VIII − V = III, da Stickstoff in der V. Hauptgruppe steht.

• Die Wertigkeit von Wasserstoff ist:

  I, da Wasserstoff in der I. Hauptgruppe steht.

• Das KGV heißt:

  $3 \cdot 1 = 3$.

• Die Zahl der beteiligten Wasserstoff-Atome ist:

  $\frac{KGV}{\text{Wertigkeit}_{\rm Wasserstoff}} = \frac{3}{1} = 3$.

• Die Zahl der beteiligten Stickstoff-Atome ist:

  $\frac{KGV}{\text{Wertigkeit}_{\rm Stickstoff}} = \frac{3}{3} = 1$.

• Die chemische Formel lautet:

  $\mathrm{N_1H_3 \ }$,

  und da die Eins (1) im Index von Stickstoff (N) nicht notiert wird:

  $\mathrm{NH_3 \ }$.

Die elektrochemische Wertigkeit

siehe Hauptartikel Oxidationszahl

Definition und Vereinbarungen

Die elektrochemische Wertigkeit oder Oxidationszahl eines Atoms beziffert, wie viele Wasserstoff- oder andere einwertige Atome es binden oder in Verbindungen ersetzen kann.

Man traf folgende Vereinbarungen:

• Alle Atome, die Wasserstoff-Atome binden, dokumentieren eine negative Wertigkeit; alle Atome, die Wasserstoff-Atome ersetzen, verfügen über eine positive Wertigkeit.
• Wasserstoff weist definitionsgemäß die Wertigkeit +I auf.
• Die Wertigkeit wird mit römischen Ziffern rechts oben neben dem Elementsymbol angegeben. Falls es aus Platzgründen nicht möglich ist, kann die Wertigkeit auch direkt über das betreffende Elementsymbol notiert werden.

Wertigkeiten der chemischen Elemente

Element	Elementsymbol	Wertigkeit[4]
Actinium	Ac	III
Aluminium	Al	III
Americium	Am	III, IV, V, VI
Antimon (Stibium)	Sb	III, V
Argon	Ar	0
Arsen	As	III, V
Astat	At	I, III, V, VII
Barium	Ba	II
Berkelium	Bk	III, IV
Beryllium	Be	II
Bismut / Wismut	Bi	III, V
Blei (Plumbum)	Pb	II, IV
Bohrium	Bh	*
Bor	B	III
Brom	Br	I, III, V, VII
Cadmium	Cd	II
Caesium / Cäsium	Cs	I
Calcium	Ca	II
Californium	Cf	III, IV
Cer	Ce	III, IV
Chlor	Cl	I, III, V, VII
Chrom	Cr	0, II, III, VI
Cobalt	Co	0, I, II, III
Curium	Cm	III, IV
Darmstadtium	Ds	*
Dubnium	Db	*
Dysprosium	Dy	III
Einsteinium	Es	III
Eisen (Ferrum)	Fe	0, II, III, VI
Erbium	Er	III
Europium	Eu	II, III
Fermium	Fm	III
Fluor	F	I
Francium	Fr	I
Gadolinium	Gd	III
Gallium	Ga	III
Germanium	Ge	II, IV
Gold (Aurum)	Au	I, III
Hafnium	Hf	IV
Hassium	Hs	*
Helium	He	0
Holmium	Ho	III
Indium	In	III
Iod	I	I, V, VII
Iridium	Ir	0, I, II, III, IV, VI
Kalium	K	I
Kohlenstoff (Carboneum)	C	II, IV
Krypton	Kr	0, II
Kupfer (Cuprum)	Cu	I, II
Lanthan	La	III
Lawrencium	Lr	III
Lithium	Li	I
Lutetium	Lu	III
Magnesium	Mg	II
Mangan	Mn	0, I, II, III, IV, VI VII
Meitnerium	Mt	*
Mendelevium	Md	II, III
Molybdän	Mo	0, II, III, IV, V, VI
Natrium	Na	I
Neodym	Nd	III
Neon	Ne	0
Neptunium	Np	III, IV, V, VI
Nickel	Ni	0, II, III
Niob	Nb	III, V
Nobelium	No	II, III
Osmium	Os	0, II, III, IV, VI, VIII
Palladium	Pd	0, II, IV
Phosphor	P	III, V
Platin	Pt	0, II, IV
Plutonium	Pu	III, IV, V, VI
Polonium	Po	II, IV VI
Praseodym	Pr	III, IV
Promethium	Pm	III
Protactinium	Pa	IV, V
Quecksilber (Hydrargyrum)	Hg	I, II
Radium	Ra	II
Radon	Rn	0, II
Rhenium	Re	I, II, IV, VI, VII
Rhodium	Rh	0, I, II, III, IV, V
Roentgenium	Rg	*
Rubidium	Rb	I
Ruthenium	Ru	0, II, III, IV, VI, VIII
Rutherfordium	Rf	IV
Samarium	Sm	II, III
Sauerstoff (Oxygenium)	O	II, I
Scandium	Sc	III
Schwefel (Sulfur)	S	II, IV, VI
Seaborgium	Sg	*
Selen	Se	II, IV, VI
Silber (Argentum)	Ag	I, II
Silicium	Si	II, IV
Stickstoff (Nitrogenium)	N	II, III, IV, V
Strontium	Sr	II
Tantal	Ta	V
Technetium	Tc	IV, VI, VII
Tellur	Te	II, IV, VI
Terbium	Tb	III, IV
Thallium	Tl	I, III
Thorium	Th	IV
Thulium	Tm	II, III
Titan	Ti	II, III, IV
Ununbium	Uub	*
Ununhexium	Uuh	*
Ununoctium	Uuo	*
Ununpentium	Uup	*
Ununquadium	Uuq	*
Ununseptium	Uus	*
Ununtrium	Uut	*
Uran	U	III, IV, V, VI
Vanadium	V	0, II, III, IV, V
Wasserstoff (Hydrogenium)	H	I
Wolfram	W	0, II, III, IV, V, VI
Xenon	Xe	0, II, IV, VI
Ytterbium	Yb	II, III
Yttrium	Y	II, III
Zink	Zn	II
Zinn (Stannum)	Sn	II, IV
Zirconium	Zr	IV
*Die Wertigkeit(en) ist (sind) noch unbekannt / nicht gefunden.

Literatur

• Alfred Dörrenbächer (Illustrationen v. Detlef Surrey): Duden-Schülerhilfen, Chemie 8. bis 10. Klasse, Chemische Verfahren und Gesetze richtig verstehen und anwenden. S. 45, 46, 110, 111. Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim 2006, 3., aktualisierte Auflage, ISBN 9783411059331

Siehe auch

• Chemisches Element
• Äquivalentzahl

Quellen & Weblinks

• Periodensystem mit Wertigkeiten
• Periodensystem mit Überblick über die Wertigkeiten
• Liste der Wertigkeiten von wichtigen chemischen Elementen in Mineralien
• Die Wertigkeit (allgemein)

Einzelnachweise

1. ↑ Definition: Wertigkeit - Meyers Lexikon online. web.archive.org. Abgerufen am 2. April 2009.
2. ↑ Wissenschaft-Online-Lexika: Eintrag zu Wertigkeit im Lexikon der Chemie, abgerufen 18. August 2008
3. ↑ Universität Erlangen: Chemische Grundlagen - Elektronenkonfiguration und Wertigkeit
4. ↑ Alfred Dörrenbächer: Duden-Schülerhilfen. Chemie 8. bis 10. Klasse, Chemische Verfahren und Gesetze richtig verstehen und anwenden. 3. Auflage, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim 2006, , ISBN 978-341-1059-33-1. S. 45, 46, 110, 111