Kugelwolkenmodell

Kugelwolkenmodell – Atommodelle

In der Antike wurde das Atom nach dem Naturphilosophen Demokrit als kleinste, unteilbare Einheit definiert. Im Verlauf der Zeit erwies sich das Atom allerdings doch als teilbar und der Atomaufbau wurde in einen positiven Atomkern und eine negative Elektronenhülle aufgeteilt. Auch diese Theorie wurde mit den Jahren überarbeitet.

Auf diese Weise entstanden unterschiedliche Atommodelle. Dabei ist jedes Atommodell als Weiterentwicklung des Vorläufermodells zu verstehen. Einige wichtige Atommodelle sind im Folgenden aufgelistet:

Heutzutage gilt das Orbitalmodell als die genaueste Beschreibung für Elektronen und Elektronenbahnen. Allerdings erfordert dieses Modell ein höheres mathematisches Verständnis über Wellenfunktionen und andere Grundlagen der Quantenmechanik. Deswegen wird es oft in einer vereinfachten Form dargestellt. Dieses vereinfachte Modell ist das Kugelwolkenmodell.

Kugelwolkenmodell Erklärung

Das Bohrsche Atommodell berücksichtigte bereits die Energiequantisierung. Diese verteilt Elektronen auf bestimmte Raumbereiche mit unterschiedlichen Energien um den Kern herum. Du bezeichnest sie als Schalen:

Die Schalen werden in alphabetischer Reihenfolge benannt. Dabei entspricht die K-Schale dem niedrigsten Energieniveau. Je weiter Du Dich vom Kern entfernst, desto höher ist auch die Energie der Schale.

Allerdings berücksichtigt das Bohrsche Atommodell sämtliche Eigenschaften der Elektronen – wie den Drehimpuls oder den Spin – nicht. Außerdem sagt dieses Atommodell auch nichts über die Struktur von Molekülen aus. Beispielsweise könnte in diesem Modell die Struktur von Wasser entweder linear oder gewinkelt vorliegen:

Die lineare Form (Abbildung 2, rechts) wurde allerdings noch nie beobachtet. Stattdessen liegt Wasser immer in gewinkelter Form vor. Dies wird durch das Orbitalmodell mathematisch erfasst. Wäre es aber nicht cool, eine einfachere Erklärung dafür zu finden – ganz ohne kompliziertere Berechnungen?

Kugelwolkenmodell Erfinder

Im Jahr 1956 erkannten George E. Kimball und G. F. Neumark die Problematik des Orbitalmodells in Bezug auf molekulare Berechnungen. Zur damaligen Zeit gab es nämlich keine Taschenrechner oder Computer, die die Berechnungen übernahmen. Die Komplexität des Orbitalmodells erschwerte daher die händischen Berechnungen enorm.

Um den Rechenaufwand zu minimieren, entwickelten die beiden Wissenschaftler ein weniger aufwendiges Atommodell. Der Unterschied zum Orbitalmodell besteht darin, dass statt der vielseitigen Orbitale lediglich kugelförmige „Orbitale“ – oder eben Kugelwolken verwendet werden.

Kugelwolkenmodell Definition

Um die beobachteten Molekülstrukturen zu erklären, wird das Bohrsche Atommodell zum Kugelwolkenmodell weiterentwickelt. Dabei wird auf komplizierte, mathematische Zusammenhänge und Beschreibungen verzichtet.

Dabei werden die Schalen aus dem Bohrschen Atommodell übernommen. Die Elektronen jeder Schale befinden sich wiederum in den entsprechenden Elektronenwolken. Je höher die Energie der Schale ist, desto mehr Elektronen – und auch Elektronenwolken – passen da rein:

Doch wie kannst Du Dir das Ganze überhaupt vorstellen?

Kugelwolkenmodell zeichnen

In der ersten Schale (K-Schale) gibt es also nur eine Elektronenwolke. Die einzige Anordnungsmöglichkeit ist dabei kugelförmig um den Atomkern herum. In der zweiten Schale (L-Schale) gibt wiederum vier Elektronenwolken. Diese sind im Raum so angeordnet, dass sie den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen:

In die erste Elektronenwolke (Abbildung 3, links) passen insgesamt zwei Elektronen. Diese wird auch als Erstes besetzt. Sind noch Elektronen übrig, so werden auch die vier Kugelwolken der zweiten Schale (Abbildung 3, rechts) aufgefüllt. Dabei wird jede Elektronenwolke zuerst einzeln und dann – sofern noch Elektronen übrig bleiben – doppelt besetzt. Damit kannst Du nun jedes Element im Kugelwolkenmodell darstellen.

Kugelwolkenmodell Wasserstoff

Wasserstoff – Symbol \(\ce{H}\) – steht an der ersten Position des Periodensystems. Damit besitzt es nur ein einziges Elektron, das sich wiederum in der K-Schale befindet.

Die Elektronenwolke um den Atomkern herum kannst Du Dir folgendermaßen vorstellen:

Diese ist mit nur einem Elektron – und damit auch nur halb – besetzt. Wie sieht es allerdings in Atomen aus, die mehr Elektronen besitzen?

Kugelwolkenmodell Kohlenstoff

Kohlenstoff – Symbol \(\ce{C}\) im Periodensystem – hat insgesamt sechs Elektronen. Zwei davon werden auf die innerste Elektronenwolke in der K-Schale verteilt. Die übrigen vier Elektronen sitzen in jeweils einer Elektronenwolke der L-Schale:

Damit ist die erste Elektronenwolke um den Kern herum vollständig besetzt. Die vier übrigen Elektronenwolken drumherum enthalten allerdings jeweils nur ein Elektron. Da jede Kugelwolke insgesamt zwei Elektronen beherbergen kann, können nicht vollständig besetzte Elektronenwolken Elektronen aufnehmen. Dies ist die Grundlage für eine chemische Bindung.

Kugelwolkenmodell Übungen

Wenn die Elektronenwolken von zwei oder mehreren Atomen überlappen, so entsteht eine chemische Bindung. Dabei werden die entsprechenden Elektronen in eine gemeinsame Elektronenwolke gegeben, die mit zwei Elektronen vollständig besetzt ist. Dies kannst Du Dir am Beispiel des \(\ce{H_2}\)-Moleküls verdeutlichen.

Auf diese Weise lässt sich die Bildung sämtlicher anderer Moleküle erklären.

Kugelwolkenmodell Wasser

Wasser (\(\ce{H_2O}\)) besteht beispielsweise aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (Symbol: \(\ce{O}\)). Sauerstoff hat insgesamt acht Elektronen. Mit dem Kugelwolkenmodell kannst Du nun erklären, weshalb das Wassermolekül in Abbildung 2 eine gewinkelte Form einnimmt.

Mit \(104,45^\circ\) weicht der Bindungswinkel in Wasser jedoch vom klassischen Tetraederwinkel von \(109,5^\circ\) ab. Dies liegt daran, dass die nicht an der Bindung beteiligten Elektronenwolken mehr Platz einnehmen als die Bindungen und die bindenden Elektronenwolken werden näher zusammengedrückt. Wären allerdings alle vier Elektronenwolken an Bindungen beteiligt, so hätte das Molekül eine tetraedrische Struktur.

Kugelwolkenmodell Methan

Ein Beispiel für ein tetraedrisches Molekül ist Methan (chemisches Symbol \(\ce{CH_4}\)). Dieses besteht aus einem Kohlenstoffatom, an dem vier Wasserstoffatome gebunden sind.

Mit dem Kugelwolkenmodell kannst Du also sämtliche physikalische und chemische Gegebenheiten – wie beispielsweise die Geometrie von Molekülen – hinreichend erklären. Dazu benötigst Du weder ein tiefes Verständnis der Quantenmechanik, noch musst Du irgendetwas berechnen. Dadurch eignet sich dieses Modell hervorragend für den Schulunterricht.