KERN

Das Hauptstück

Eine chemische Bindung ist kein fester Gegenstand, sondern ein Zustand niedrigerer Energie, der zwei Atome dauerhaft zusammenhält. Die heutige Ausgabe erklärt Schritt für Schritt, wie diese unsichtbaren Kräfte entstehen, durch die die Materie um uns herum ihre feste Gestalt erhält. Der grundlegende Mechanismus beruht darauf, dass sich entgegengesetzte elektrische Ladungen gegenseitig anziehen. Wenn sich zwei Atome einander nähern, wirken Kräfte zwischen den Atomkernen, welche die positiv geladenen Zentren der Atome darstellen, und den Elektronen, die negativ geladene Elementarteilchen in der Atomhülle sind. Eine chemische Bindung bildet sich laut physikalischen Gesetzen genau dann, wenn sich die Elektronen so anordnen können, dass sie sich gleichzeitig in der Nähe von zwei oder mehr Atomkernen befinden, wodurch die elektrische Anziehungskraft maximiert wird. Bei einer kovalenten Bindung, bei der sich Atome ein oder mehrere Elektronenpaare teilen, erreichen die Partner eine stabile Elektronenkonfiguration, welche die Verteilung der Elektronen auf stabile Energieniveaus beschreibt, in ihrer äußeren Schale. Die Atome vibrieren dabei ständig um einen Gleichgewichtsabstand, welcher den energetisch stabilsten Abstand zwischen den Kernen bezeichnet, bei dem sich anziehende und abstoßende Kräfte genau ausgleichen. Diese kovalenten Bindungen weisen nach thermochemischen Messungen der Physiker typischerweise Energien von etwa 100 bis über 400 Kilojoule pro Mol auf, was die Maßeinheit für die Stärke einer chemischen Bindung ist. Besitzen die Atome eine unterschiedliche Elektronegativität, welche das Bestreben eines Atoms beschreibt, Bindungselektronen an sich zu ziehen, verschiebt sich das Elektronenpaar zum stärker ziehenden Partner. Bei extremen Unterschieden sprechen Chemiker von einer Ionenbindung, bei der theoretisch ein Elektron komplett von einem Atom auf ein anderes übertragen wird, wodurch elektrisch geladene Ionen, die geladene Atome mit einem Überschuss oder Mangel an Elektronen darstellen, entstehen. Präzise Messungen am Salz Lithiumfluorid zeigen jedoch, dass das vermeintlich abgegebene Elektron dem ursprünglichen Atomkern im Kristallgitter, welches die geordnete räumliche Anordnung von Atomen im Festkörper beschreibt, sogar näher ist als im neutralen Zustand. Quantenmechanische Berechnungen, die auf den physikalischen Gesetzen der Teilchenbewegung im Mikrokosmos beruhen, belegen daher, dass eine rein ionische Bindung nur ein ideales Modell ist, während in der Realität immer ein kontinuierlicher Übergang mit kovalenten Anteilen vorliegt. Ein dritter, schwächerer Bindungstyp ist die Wasserstoffbrückenbindung, die eine gerichtete Wechselwirkung zwischen einem Wasserstoffatom und einem stark elektronegativen Atom wie Sauerstoff darstellt. Diese Brücken besitzen laut spektroskopischen Messungen, bei denen die Wechselwirkung von Strahlung mit der Materie zur Strukturanalyse genutzt wird, eine Energie von 4,2 bis 167,4 Kilojoule pro Mol, womit sie stärker als bloße Van-der-Waals-Kräfte, welche die schwachen, universellen Anziehungskräfte zwischen allen Atomen beschreiben, aber schwächer als echte kovalente Bindungen sind. Im Alltag begegnen uns diese Kräfte am deutlichsten im flüssigen Wasser, dessen Moleküle aufgrund dieser Brücken tetraedrische Strukturen, die eine vierflächige geometrische Anordnung darstellen, aus meist 14 Molekülen ausbilden. Ohne diese Brücken besäße Wasser einen extrem niedrigen Siedepunkt, welcher die Temperatur des Übergangs vom flüssigen in den gasförmigen Zustand bezeichnet, weshalb unsere Ozeane längst verdampft wären. Auch die Erbsubstanz DNA, die den fadenförmigen Träger unserer genetischen Information darstellt, wird durch diese Wasserstoffbrücken zusammengehalten, welche die Vervielfältigung der Strände ermöglichen. Wolle, die eine elastische Proteinfaser aus tierischen Haaren ist, zieht sich nach dem Dehnen wegen dieser federnden Brücken wieder zusammen, verliert jedoch beim Waschen bei hohen Temperaturen durch deren Spaltung dauerhaft ihre Form. Obwohl diese Bindungen gut erforscht sind, gibt es in der Wissenschaft noch offene Fragen. Forscher der Max-Planck-Gesellschaft untersuchen beispielsweise mit Lasermessungen, wie die Energie im Netzwerk des Wassers genau fließt, wobei die Rolle von intermolekularen Schwingungen, welche die Bewegungen der Moleküle zueinander beschreiben, weiterhin in der physikalischen Forschung umstritten ist.

Der Körper

Koffein ist die weltweit am häufigsten konsumierte psychoaktive Substanz, welche die Aktivität des Zentralnervensystems anregt. Die anregende Wirkung beruht darauf, dass Koffein als Adenosinrezeptor-Antagonist wirkt, welcher die Andockstellen für den körpereigenen Botenstoff Adenosin blockiert. Adenosin ist ein Abbauprodukt, das bei der Spaltung des Energieträgers Adenosintriphosphat, welches das universelle Energiemolekül aller Körperzellen ist, im Gehirn entsteht. Je länger wir wach sind, desto mehr Adenosin sammelt sich an und erhöht den homöostatischen Schlafdruck, welcher das biologische Bedürfnis des Körpers nach Schlaf beschreibt. Koffein besetzt diese Rezeptoren, welche die Empfangsstationen für chemische Signale auf Zellen darstellen, ohne sie zu aktivieren, wodurch das Signal für Müdigkeit blockiert wird und wir uns wacher fühlen. Die Halbwertszeit, welche die Zeitspanne beschreibt, in der die Konzentration eines Stoffes im Blut um die Hälfte sinkt, beträgt bei gesunden Erwachsenen durchschnittlich fünf bis sechs Stunden. Aufgrund dieser Dauer kann Koffein, das nachmittags getrunken wird, die Einschlaflatenz, welche die Dauer bis zum tatsächlichen Einschlafen im Bett bezeichnet, am späten Abend deutlich verlängern. Eine kontrollierte Studie zeigte, dass eine Einnahme von 200 Milligramm Koffein am Morgen den Schlaf und die Gehirnströme am späten Abend beeinflussen kann. Der Abbau im Körper erfolgt über das Enzym Cytochrom P450 1A2, welches ein spezielles Eiweiß zur Beschleunigung chemischer Reaktionen in der Leber ist. Wissenschaftliche Messungen belegen, dass das Rauchen diesen Abbau beschleunigt, während die Einnahme von oralen Kontrazeptiva, welche hormonelle Verhütungsmittel zur Schwangerschaftsverhütung darstellen, die Halbwertszeit auf durchschnittlich 15,5 Stunden verlängern kann. Durch EEG-Messungen, welche die elektrische Aktivität des Gehirns über Elektroden auf der Kopfhaut aufzeichnen, ist gesichert, dass Koffein die langsame Delta-Aktivität im Schlaf, welche ein wichtiger Indikator für den erholsamen Tiefschlaf ist, verringert. Als bloße Vermutung der Forschung gilt hingegen der genaue Mechanismus der Toleranzentwicklung, welche die nachlassende Wirkung des Koffeins bei täglichem Konsum beschreibt. Wissenschaftler vermuten als Ursache eine Hochregulierung, die eine Vermehrung der Adenosinrezeptoren im Gehirn darstellt, was bisher jedoch nicht lückenlos im Menschen nachgewiesen wurde.

Gebaut und gemacht

Nach dem Ende der französischen Kolonialherrschaft wurde Vietnam im Jahr 1954 durch das Genfer Abkommen, welches die vorläufige Teilung des Landes am 17. Breitengrad festlegte, in einen kommunistischen Norden und einen antikommunistischen Süden gespalten. Die amerikanische Außenpolitik wurde in dieser Zeit von der Domino-Theorie geleitet, welche das geopolitische Konzept beschrieb, dass beim Fall eines Staates an den Kommunismus alle Nachbarländer wie eine Reihe von Dominosteinen ebenfalls umfallen würden. Zur militärischen Eskalation führte im August 1964 der Tonkin-Zwischenfall, bei dem der amerikanische Zerstörer USS Maddox, welcher ein schwer bewaffnetes Kriegsschiff zur Seeüberwachung darstellt, in nordvietnamesischen Gewässern patrouillierte. Historische Dokumentenanalysen belegen heute, dass der gemeldete zweite Angriff vom vierten August in Wahrheit nie stattfand und auf Falschmeldungen beruhte. Dennoch verabschiedete der amerikanische Kongress die Tonkin-Resolution, welche dem Präsidenten weitreichende Vollmachten für Militäreinsätze ohne formelle Kriegserklärung erteilte. Bis zum Jahr 1968 schickten die USA über eine halbe Million Soldaten in den Konflikt. Zudem warfen die amerikanischen Streitkräfte im gesamten Kriegsverlauf über acht Millionen Tonnen Bomben ab, was laut historischen Berechnungen mehr als das Dreifache der gesamten Bombentonnage des Zweiten Weltkriegs darstellte. Als Wendepunkt erwies sich im Januar 1968 die Têt-Offensive, die einen koordinierten Großangriff der nordvietnamesischen Truppen und der Guerillabewegung Vietcong, welcher die kommunistische Guerillagruppe in Südvietnam war, darstellte. Diese Erschütterung leitete die Phase der Vietnamisierung ein, welche den schrittweisen Abzug der amerikanischen Truppen bei gleichzeitiger Übergabe der Kampfhandlungen an die südvietnamesische Armee beschrieb. Nach dem Abzug der Amerikaner im Jahr 1973 marschierte der Norden im Süden ein, wo ein extrem schwaches und durch Korruption, die den Missbrauch von Macht zur persönlichen Bereicherung bezeichnet, zerrüttetes Regime herrschte. Am 30. April 1975 endete der Krieg mit der bedingungslosen Kapitulation Südvietnams. Zeitgenössische Analysen von Historikern zeigen, dass die USA vor allem die einigende Kraft des Nationalismus, welcher das Streben nach Unabhängigkeit von ausländischer Fremdherrschaft beschreibt, völlig unterschätzt hatten. Zudem gilt die Domino-Theorie heute in der Geschichtswissenschaft als fehlerhaftes Modell, da sie die tiefen internen Spannungen zwischen den kommunistischen Großmächten China und der Sowjetunion völlig ignorierte.

Die Querverbindung

Ein fundamentales Prinzip, das sowohl in der Chemie als auch in der Biologie eine zentrale Rolle spielt, ist das Bestreben nach einem Gleichgewicht, welches einen Zustand stabiler Ausgewogenheit beschreibt. Bei der chemischen Bindung zeigt sich dieses Muster im Gleichgewichtsabstand, bei dem sich die anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen den Atomen genau die Waage halten und das Energieniveau minimieren. Im menschlichen Körper finden wir dasselbe Prinzip in der Homöostase, welche die Aufrechterhaltung des inneren Gleichgewichts beschreibt und unter anderem das Schlafbedürfnis über den Botenstoff Adenosin reguliert. Außerhalb der Naturwissenschaften lässt sich dieses universelle Muster in der Ökonomie bei der Preisbildung beobachten, welche durch den Ausgleich von Angebot und Nachfrage ein stabiles Marktgleichgewicht herstellt.

Falsch gemerkt

Viele Menschen glauben fälschlicherweise, dass bei einer Ionenbindung, bei der elektrische Anziehungskräfte entgegengesetzt geladene Atome zusammenhalten, ein Elektron vollständig von einem Atom auf ein anderes übertragen wird und für den Geber damit verloren ist. In der Realität zeigen präzise physikalische Messungen am Kristallgitter, welches die regelmäßige räumliche Anordnung der Atome in einem Festkörper beschreibt, dass das übergetretene Elektron dem ursprünglichen Lithiumkern im gebundenen Zustand sogar näher ist als im freien Atom. Die reine Ionenbindung ist laut Quantenchemikern, welche die physikalischen Eigenschaften von Molekülen berechnen, daher nur ein stark vereinfachtes Modell, während in Wahrheit alle realen Bindungen auch kovalente Anteile besitzen.

Frisch dazugelernt

Die vorliegenden Quellen geben keine neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse aus den letzten Wochen her.

Zum Merken

• 100 Kilojoule pro Mol ist die typische Mindestenergie, um Atome dauerhaft chemisch aneinander zu binden.
• Die Faustregel besagt: Liegt die Differenz der Elektronegativität über 1,7, spricht man meist von einer Ionenbindung, darunter von einer kovalenten Bindung.
• Die durchschnittliche Halbwertszeit von Koffein beträgt im erwachsenen Körper fünf bis sechs Stunden.
• Eine Einnahme von 200 Milligramm Koffein am Morgen kann den Schlaf und das EEG-Leistungsspektrum am späten Abend nachweislich beeinflussen.
• Im Vietnamkrieg wurden mit über acht Millionen Tonnen Bomben mehr als dreimal so viele Sprengkörper abgeworfen wie im gesamten Zweiten Weltkrieg.