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Die Chemie-Schule

Thema: Modellvorstellungen

OK, dann spendir mir wenigstens ein Bier



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Foto von Thomas Gottschalk auf der Berlinale 2010
Die Schaufensterpuppe sieht einem Menschen entfernt ähnlich.

Exkurs: Modelle - Atommodelle

Was ist ein Modell?

Ein Modell - etwa eine Schaufensterpuppe, ein Flaschenschiff oder eine Spielzeugeisenbahn - ist eine von uns Menschen hergestellte Abbildung der Wirklichkeit.

In der Chemie, aber auch in anderen Fächern, machen wir oft den Fehler, die Vorstellungen und Modelle mit der Realität gleichzusetzen. Die Chemie ist eine Wissenschaft, die zur Erklärung ihrer Experimente und Ergebnisse fast ausschließlich Modelle benutzt. ChemikerInnen versuchen, die im Experiment ermittelten Eigenschaften und Vorgänge anhand von Modellen zu erklären. Dazu hat man einfache Modellvorstellungen und Modelle entwickelt, wobei jedes Modell und jede Modellvorstellung nur innerhalb eines bestimmten Bereichs Gültigkeit hat, wie im folgenden gezeigt werden soll.

Ein Flugzeugmodell gibt in allen Details das Original wieder, nur die Größe stimmt nicht überein.
Was lernen wir daraus?
 
Jedes Modell kann nur bestimmte Erscheinungen der Natur erklären. Daher sind jedem Modell Grenzen gesetzt

Modelle sind weder gut noch schlecht sondern bilden die Realität mehr oder weniger brauchbar ab. In der Chemie bedient man sich zur Beschreibung der chemischen Vorgänge so genannten Atommodellen, von denen seit dem 17. Jahrhundert einige entwickelt worden sind. Ein Atommodell ist eine Vorstellung von den kleinsten Teilen der Stoffe, von denen es lange Zeit keine experimentellen Hinweise gab. Grundlage der Teilchenmodelle der Neuzeit sind beobachtbare Eigenschaften der Materie und experimentell ermittelte Daten.

Modelle in der Chemie

Das Teilchen- oder Kugelmodell

Kugelmodell einer chemischen Verbindung
Kugelmodell am Beispiel des Methans, CH4

Das Teilchenmodell ist das einfachste Modell für den Aufbau von Materie. Nach diesem Modell sind alle Körper aus vielen kleinen Teilchen zusammengesetzt. Mit Hilfe des Teilchenmodells kann man zum Beispiel beschreiben, wie Wärme von einem Stoff auf einen anderen übertragen wird (Wärmeleitung), wie man sich die Struktur fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe vereinfacht vorstellt (Aggregatzustand), was Veränderungen von Temperatur oder Druck auf mikroskopischer Ebene bedeuten. Völlig unbrauchbar ist das Teilchenmodell jedoch zur Erklärung der chemischen Bindungen.

Kugelwolkenmodell
Ein einfaches Kern-Hülle-Modell vom Bau der Atome

Das Kern-Hülle-Modell

Eines der berühmtesten physikalischen Experimente, der Streuversuch von Ernest Rutherford (Kapitel 24) aus dem Jahr 1909, führte zur Entwicklung des Kern-Hülle-Modells. Dieses kann man zur Erklärung heranziehen, warum Materie für radioaktive Strahlung durchlässig ist. Unbrauchbar ist es allerdings für das Verständnis der unterschiedlichen Wertigkeiten der Atome. Warum lautet die Summenformel eines Wassermoleküls H2O, eines Methanmoleküls CH4 und die des Kohlendioxids CO2?

Das Schalenmodell

Atommodell, Schalenmodell
Schalenmodell eines Atoms mit 11 Elektronen. Somit hat der Atomkern 11 positiv geladene Protonen. Unten: Die einzelnen Schalen werden mit Großbuchstaben ab K bezeichnet. Warum? Hier eine Erklärung
Atommodell, Zwiebelschalenmodell

Das Bohr´sche Schalenmodell der Atome (nach Nils Bohr) ebnete den Weg zum Verständnis des Aufbaus der Atomhülle. Die anschauliche Vorstellung von Elektronen, die den Atomkern umkreisen, wie Planeten die Sonne, hat für Jahrzehnte das populäre Bild von Atomen geprägt. Man kann dieses Modell sehr gut anwenden, wenn es um die Beschreibung der steigenden Atomradien innerhalb einer Elementfamilie geht. Nach diesem Modell sind die Elektronen in der Atomhülle in Schalen angeordnet, anschaulich etwa wie die Schalen einer Zwiebel. Die Schalen sind räumliche Aufenthaltsbereiche für Elektronen mit jeweils ähnlicher Bindungsenergie. Die innerste, dem Atomkern nächstgelegene Schale wird K-Schale genannt und enthält maximal zwei Elektronen; auf der nächsten Schale, der L-Schale, werden maximal acht Elektronen gefunden.

Die weiter außen liegenden Schalen können zwar mehr als acht Elektronen enthalten, bei den Hauptgruppen-Elementen spielen diese zusätzlichen Elektronen aber bezüglich der chemischen Eigenschaften so gut wie keine Rolle.

Allerdings kann dieses Modell nicht erklären, warum das Wasserstoffatom eine Kugelform besitzen soll oder wann eine Schale abgeschlossen ist.

Das Kugelwolkenmodell

Das Kugelwolkenmodell (kurz KWM) ist ein im Schulunterricht häufig verwendetes Atommodell, mit dem sich viele Phänomene (AtombindungMolekülbau) erklären lassen. Es umgeht alle Widersprüche der anderen Atommodelle, ist dabei aber dennoch leicht zu verstehen. Es vereint das Kugelmodell und das Schalenmodell, dennoch hält auch dieses Modell für das gesamte Periodensystem der Elemente keine ausreichende Erklärung parat. Das Kugelwolkenmodell stellt eine Erweiterung des Bohrschen Atommodells dar und ist eine Vereinfachung gegenüber dem genaueren Orbitalmodell. Das KWM macht folgende Grundannahmen:

  1. Die Elektronenschalen sind um den Atomkern angeordnet. In jeder Schale sind jeweils 2 Elektronen in einer Kugelwolke (kugeligen Elektronenwolke) zusammengefasst. Die Elektronenwolke ist als "Aufenthaltsraum" für die Elektronen zu verstehen, in dem sie sich bewegen und an keinen festen Ort gebunden sind.
  2. Die Anzahl der Kugelwolken ist von der Größe der jeweiligen Schale abhängig, dementsprechend passen immer mehr Kugelwolken auf eine Schale:
    • Erste Schale (K-Schale) = 2 Elektronen = 1 Elektronenwolke
    • Zweite Schale (L-Schale) = 8 Elektronen = 4 Elektronenwolken
    • Dritte Schale (M-Schale) = 18 Elektronen = 9 Elektronenwolken
    • Vierte Schale (N-Schale) = 32 Elektronen = 16 Elektronenwolken
  3. Jede einzelne Kugelwolke nimmt maximal zwei Elektronen auf, was so zu erklären ist: Die Elektronen besitzen ähnlich wie Kreisel einen Drall, den man wissenschaftlich korrekt als Spin bezeichnet. Wie ein Kreisel kann auch der Spin zwei Drehrichtungen haben, nämlich im Uhrzeigersinn oder entgegen. Innerhalb einer Elektronenwolke bzw. Kugelwolke müssen die beiden Elektronen entgegengesetzten Spin besitzen. Da es nur zwei Drehrichtungen gibt, kann es innerhalb einer Kubelwolke kein drittes Elektron geben. Um die Spinrichtung zu symbolisieren benutzt man in der Regel zwei Pfeile, die in entgegengesetze Richtung zeigen.

Das Orbitalmodell

Das Orbitalmodell ist das schwierigste Atommodell und soll auf dieser Homepage deshalb nur am Rande erwähnt werden. Nach diesem Modell besteht das Atom aus einem Kern, der von Orbitalen umgeben ist. Die Form der Orbitale ist durch die räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen gegeben.