Kugelwolkenmodell

Im Rahmen des Orbitalmodell wird zur Beschreibung und Darstellung von Elektronenpaarbindungen in der Regel das sogenannte Hybridisierungsmodell verwendet. Dieses ist aber in der Anwendung für den gymnasialen Grundlagenfachunterricht zu anspruchsvoll.

Im folgenden wird deshalb zwar zuerst das Prinzip des Hybridisierungsmodells erklärt, dann aber das Kugelwolkenmodell als stark vereinfachtes - aber durchaus brauchbares Modell - eingeführt.

Hybridisierung -vom Orbitalmodell zum Kugelwolkenmodell

Nähern sich zwei Nichtmetallatome, wirken starke Kräfte:

- Anziehung zwischen den Kernen und den Elektronen des jeweils anderen Atoms

- Abstossung zwischen den Elektronen der beiden negativ geladenen Hüllen und den positiv geladenen Kernen

Durch diese Kräfte, werden die s- und p-Orbitale räumlich und energetisch verändert.

Dadurch verschmilzt das s-Orbital mit allen 3 p-Orbitalen (sp³-Hybridisierung), oder nur mit zwei p-Orbitalen (sp²-Hybridisierung) - oder auch nur mit einem p-Orbital (sp-Hybridisierung). die verschmolzenen Orbitale nennt man Hybridorbitale (hybrida (gr): Mischling).

Die gesamte Anzahl Orbitale bleibt dabei gleich: Es sind immer insghesamt 4 Orbitale - entweder 4 Hybridorbitale oder Hybrid - und unveränderte p-Orbitale.

Achtung: Die Zahl im Namen (t.B. sp₃) bzeiht sich immer auf die Anzahl p- Orbitale, die beteiligt sein - und nicht auf die Anzahl Hybridorbitale: In der sp³-Hybridisierung gibt es 4 Hybridorbitale!

Im Folgenden wird zuerst die wichtigste Art der sp3-Hybridisierung am Beispiel von Kohlenstoff erklärt, der vier Bindungspartner hat - dann noch zwei weitere seltenere Arten:

sp³-Hybridisierung - Beispiel Methan CH₄

Ein einzelnes Kohlenstoffatom weist die folgende Elektronenkonfiguration auf: [He] 2s²2p²

Bei unveränderten Atomorbitalen müsste das Molekül CH₂ entstehen!

Diese Struktur widerspricht natürlich der Realität: Die Natur bildet CH₄, nicht CH₂!

Warum liefert das Orbitalmodell aber nicht die richtige Struktur? Weil zusätzlzich die oben erwähnten Kräfte berücksichtigt werden müssen, welche die Form und Energie der Orbitale verändern! Diese Kräfte führen zu einem energiearmen und symmetrischen Zustand - Eben CH₄!

Man kann das mathematisch berechnen - wir begnügen uns aber damit, das qualitativ zu beschreiben:

Hat ein Kohlenstoffatom vier Bindungspartner, verschmilzt das s-Orbital mit allen drei p-Orbitalen, wobei vier symmetrische Hybridorbitale entstehen, die gleichmässig um den Kern herum angeordnet sind. Dabei entsteht die bekannte tetraedrische Struktur von Metan:

Geometrische Anordnung: tetraedrisch - Bindungswinkel: 109.5° (Tetraederwinkel)

sp²-Hybridisierung - Beispiel Ethen C2H₄

In Ethen sind die beiden Kohlenstoffe mit je zwei Wasserstoffatomen und gegenseitig mit einer Doppelbindung verbunden: Jedes Kohlenstoffatom hat somit insgesamt drei Bindungspartner. Da die Anzahl Bindungspartner bei Kohlenstoff jeweils der Anzahl Hybridorbitale entspricht, verschmilzt in diesem Fall das s-Orbital nur mit zwei p-Orbitalen - ein p-Orbital bleibt dabei also unverändert.

Bitte beachten Sie, dass sich die beiden p-Orbitale der beiden sp2-hybridisierten KOhlenstoffatome auch überlappen können!.

Die Bindung besteht aus einem "halben" Orbital oberhalb und einem "halben" Orbital unterhalb. Diese Bindungen werden als"pi-Orbitale" bezeichnet vom griechischen Buchstaben für p, während die Bindungen mit Hybridorbitalen als "sigma-Bindungen" bezeichnet werden vom griechischen Buchstaben für s, da alle aus einem s-Orbial entstanden). In den Darstellungen sind die pi-Orbitale rot, die sigma-Orbitale grün.

Beachten Sie auch, dass die pi-Orbitale weniger stark sind als die sigma-Bindungen, da die pi-Elektronen weniger stark von den Kernen angezogen werden (Abstand!). DAs ist der Grund, dass Moleküle mit Doppelbindungen im Allgemeinen reaktionsfreudig sind.

Geometrische Anordnung: planar-trigonal - Bindungswinkel: 120°

sp-Hybridisierung - Beispiel Ethin C2H₂

In Ethin sind die beiden Kohlenstoffe mit nur je einem Wasserstoffatomen und gegenseitig mit einer Dreifachbindung verbunden: Jedes Kohlenstoffatom hat somit insgesamt nur zwei Bindungspartner. In diesem Fall verschmilzt das s-Orbital nur mit zwei p-Orbitalen - ein p-Orbital bleibt dabei also unverändert. Dabei entstehen zwei Hybridorbitale und die beiden p-Orbitale bleiben unverändert

Wie bei Ethan können sich natürlich auch in diesem Fall die p-Orbitale zu pi-Bindungen überlappen. Diese liegen senkrecht aufeinander und führen zu einer hohen Reaktivität von Alkinen (Kohlenstoffverbindungen mit mindestens einer Dreifachbindung).

Geometrische Anordnung: linear - Bindungswinkel: 180°

Zusammenfassung: Hybridisierung

Dank der Hybridisierung verstehen wir das Kugelwolkenmodell besser und somit ergeben sich ein paar einfache Regeln, durch die das KWM beschrieben werden kann:

1. In der ersten Schale gibt es nur eine Kugelwolke, die zentral um den Kern angeordnet ist.
2. Ab der zweiten Schale werden immer erst 4 Elektronenwolken angelegt, erst in den Nebengruppen werden sie auf die Endzahl erweitert (allerdings spielt das bei der chemischen Bindung keine Rolle!)
3. Jede der vier Elektronenwolken wird aufgrund der Abstoßung der Elektronen zuerst einfach besetzt(Hund'sche Regel). Erst ab dem 5. Elektron auf der Schale sind die Elektronen, bei unterschiedlichem Spin, paarweise in den Elektronenwolken verteilt.(Pauli-Prinzip)
4. Die Elektronenwolken versuchen immer einen möglichst großen Abstand zu erreichen, weshalb sie tetraedrisch angeordnet sind.
5. Die Besetzung der inneren Schalen wird nicht beachtet, da sie bei der chemischen Bindung keine Rolle spielen.

Das Kugelwolkenmodell

Im Kugelwolkenmodell (KWM) geht man davon aus, dass die Elektronen um ein Atom kugelförmige Aufenthaltsorte haben. Diese Aufenthaltsräume wurden, gemäss Orbitalmodell, mittels Schrödingergleichung errechnet und stellen die Räume als Wahrscheinlichkeitsräume dar, in dem sich ein Elektron aufhält. Jede dieser Elektronenwolken können mit ein oder zwei Elektronen besetzt werden. Aufgrund der zunehmender Grösse der Schalen nehmen auch die Elektronenwolken zu, wobei nicht alle Räume der Wolken besetzt werden müssen. Jedoch betrachtet man im Kugelwolkenmodell nur die äusserste Schale, die Valenzschale, welche, wie schon im Bohrschen Modell festgelegt, bis auf weiteres nur acht Elektronen aufnimmt! Folglich hat jedes Atom im KWM maximal 4 Wolken.

Das KWM im Periodensystem

Beispiele zum KWM

Hier folgen zwei Beispiele, an denen man das KWM gut illustrieren und nachvollziehen kann:

Wasserstoff (H2):	Sauerstoff (O2):

Grenzen des Modells

Es gibt Unregelmäßigkeiten in der tatsächlichen Besetzung von Schalen bei den Nebengruppenelementen, die sich nur bei einer Annahme erklären lassen: Es muss noch Unterschalen geben. Das lässt sich aber mit dem Kugelwolkenmodell nicht mehr erklären, da es ja nur die jeweils die äusserste Schale betrachtet.

Vergleich: KWM - Orbitalmodell

	Kugelwolkenmodell	Orbitalmodell
gleich	Schalen der Atome	Schalen der Atome
	Elektronen haben Wellencharakter	Elektronen haben Wellencharakter
	Hund'sche Regel, Pauli-Prinzip	Hund'sche Regel, Pauli-Prinzip
verschieden	sp3-Hybridisierung	s/p-Unterschalen
	Betonung der Valenzschalen	Berücksichtigung aller Schalen
		Bindungen der 1. und 2. Periode können gut beschrieben werden, ab der 3. Periode nur eingeschränkt. Nicht geeignet für Nebengruppen, da diese teilweise gleich viele Valenzelektronen haben wie Atome mit anderer Anzahl an Elektronen

Die Lewisschreibweise

Bei der Lewisschreibweise zeigt man auf einem einfachen weg auf, wieviele Valenzelektronen ein Atom hat, und weiterführend wie die Bindungen zwischen Atomen und Molekülen aussehen. Dabei ersetzt man einfach die vollbesetzetn Kugelwolken durch einen Strich und die einfach besetzten Kugelwolken durch einen Punkt.

Beispiele zur Lewisschreibweise

Hier folgen ein paar Beispiele, an denen man die Schreibweie gut illustrieren und nachvollziehen kann:

Bindung von zwei Cl - Atomen

Bindung von H₂O

Man kann statt Strichen auch zwei Punkte schreiben:

Quellen

• http://wikipedia.org
• http://google.com
• Heftaufschrieb
• http://www.thomasmusolf.de/fuer_schueler_und_eltern/Chemie/Allgemeines/Wichtige%20Begriffe%20mit%20frame.html
• http://www.bionet.schule.de/~grube/fachlehr/chemie/fundamen/valenz.htm
• http://chemie.fb2.fh-frankfurt.de/Erlaeuterungen/11Hybridisierung-sp3.htm
• http://chemgapedia.de
• http://www.thomasmusolf.de/fuer_schueler_und_eltern/Chemie/Allgemeines/PSE%20-%20online07.jpg
• Elemente-Moleküle; von Roderich Magyar, Wolfgang Liebhart und Gabriela Jelinek