Warum leiten Moleküle den elektrischen Strom nicht?

Warum leiten Moleküle keinen Strom? – Ein Blick auf die Elektronenmobilität

Die Frage, warum manche Materialien den elektrischen Strom leiten und andere nicht, lässt sich auf die mikroskopische Ebene zurückführen: die Beweglichkeit der Elektronen. Die gängige Unterscheidung zwischen Leitern und Isolatoren basiert nicht darauf, ob Moleküle keine Elektronen besitzen, sondern auf der Mobilität dieser Elektronen. Alle Stoffe bestehen aus Atomen, die wiederum Elektronen in verschiedenen Schalen um ihren Kern herum besitzen. Der entscheidende Unterschied liegt jedoch darin, wie stark diese Elektronen an den Atomkern gebunden sind.

In Isolatoren, wie z.B. Glas, Gummi oder Plastik, sind die Valenzelektronen – die Elektronen in der äußersten Schale – stark an die Atomkerne gebunden. Sie sind in kovalenten Bindungen fest verankert und benötigen eine sehr hohe Energie, um sich von ihren Atomen zu lösen und sich frei bewegen zu können. Ein angelegtes elektrisches Feld kann diese Bindungsenergie nicht überwinden, daher können keine oder nur extrem wenige Elektronen als Ladungsträger fungieren. Ein gerichteter Stromfluss – also der Transport von Ladung – findet daher praktisch nicht statt. Die Elektronen schwingen zwar um ihre Atomkerne, aber diese Bewegung ist ungeordnet und trägt nicht zum makroskopischen Stromfluss bei.

Im Gegensatz dazu weisen Leiter, wie Metalle (Kupfer, Silber, Aluminium), eine völlig andere elektronische Struktur auf. In Metallen sind die Valenzelektronen nicht an einzelne Atome gebunden, sondern bilden ein sogenanntes “Elektronengas”. Diese Elektronen sind delokalisiert und bewegen sich frei zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen. Ein angelegtes elektrisches Feld übt eine Kraft auf diese freien Elektronen aus, wodurch sie sich gerichtet bewegen und so einen elektrischen Strom erzeugen. Die hohe Elektronenmobilität ist der Grund für die gute elektrische Leitfähigkeit von Metallen.

Moleküle an sich sind keine einheitliche Kategorie, sondern bestehen aus verschiedenen Atomen, die durch chemische Bindungen miteinander verbunden sind. Ob ein Molekül als Isolator oder Leiter agiert, hängt von der Art der Bindung und der Elektronenkonfiguration ab. Moleküle aus stark elektronegativen Atomen, die kovalente Bindungen ausbilden (wie viele organische Moleküle), neigen dazu, Isolatoren zu sein. Moleküle mit delokalisierten Elektronen, z.B. in konjugierten Systemen, können unter bestimmten Umständen eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sind aber im Vergleich zu Metallen deutlich schlechtere Leiter.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Fähigkeit eines Materials, den elektrischen Strom zu leiten, hängt nicht vom bloßen Vorhandensein von Elektronen ab, sondern von deren Beweglichkeit. Die starke Bindung der Elektronen in Isolatoren verhindert einen gerichteten Ladungstransport, während die freien Elektronen in Leitern den Stromfluss ermöglichen. Die elektrische Leitfähigkeit eines Moleküls ist somit eine materialabhängige Eigenschaft, die von seiner chemischen Struktur und Bindungsart bestimmt wird.