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13_Atombau und Chemische Bindung.pdf

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2 <strong>Atombau</strong> <strong>und</strong> <strong>Chemische</strong> <strong>Bindung</strong><br />

Elemente <strong>und</strong> Verbindungen<br />

Elemente<br />

Elemente bestehen aus Atomen. Jedes Element besteht aus einer eigenen Atomsorte.<br />

Da es über 105 Elemente gibt, existieren auch über 105 Atomsorten auf der Erde<br />

(Isotope sind dabei noch nicht mitgerechnet).<br />

Atome sind nach der Vorstellung von DALTON extrem klein, kugelförmig <strong>und</strong> vor allem<br />

unteilbar. Daher haben die Atome auch ihren Namen (griechisch atomos = unteilbar).<br />

Hier sehen wir einen winzig kleinen Ausschnitt aus einem Metall, zum Beispiel Magnesium:<br />

Magnesium = Mg<br />

Die Atome des Magnesiums sind sehr regelmäßig angeordnet, man spricht auch von<br />

einer Gitterstruktur oder einer Kugelpackung. Vergleichen wir die Atome des Magnesiums<br />

mit denen eines Nichtmetalls, beispielsweise Schwefel:<br />

Schwefel = S<br />

Hier fallen gleich zwei Unterschiede auf: Erstens sind die Schwefel-Atome größer als<br />

die Magnesium-Atome <strong>und</strong> haben daher auch eine größere Masse, <strong>und</strong> zweitens<br />

sind die Schwefel-Atome nicht so wohlgeordnet wie die des Magnesiums. Das liegt<br />

daran, dass hier ein winziger Ausschnitt aus einer Schwefel-Schmelze abgebildet ist<br />

<strong>und</strong> nicht aus einem Schwefel-Kristall. Die Anordnung der Atome eines Elementes<br />

hängt also auch vom Aggregatzustand ab.


Da die Atome eines Elements unteilbar sind, kann ein Element mit chemischen Mitteln<br />

auch nicht weiter zerlegt werden. Zur so genannten Kernspaltung ist sehr viel<br />

mehr Energie notwendig, als in einem Schullabor jemals zur Verfügung steht. In<br />

Atomkraftwerken <strong>und</strong> vergleichbaren Anlagen können einige Elemente in der Tat<br />

durch Kernspaltung weiter zerlegt werden, dort werden aber keine chemischen Mittel<br />

<strong>und</strong> Methoden, wie etwa Erhitzen, Behandlung mit Schwefelsäure <strong>und</strong> dergleichen<br />

eingesetzt.<br />

Verbindungen<br />

Die kleinsten Teilchen der Verbindungen sind entweder Ionen oder Moleküle, je<br />

nachdem, ob es sich um eine Ionenverbindung oder eine Molekülverbindung handelt.<br />

Magnesiumsulfid = MgS<br />

Hier sehen wir einen Ausschnitt aus einem festen Salz-Kristall, zum Beispiel Magnesiumsulfid,<br />

einer Ionenverbindung aus Magnesium <strong>und</strong> Schwefel. Auffällig ist, dass<br />

die Atome hier elektrisch geladen sind. Die Schwefel-Atome sind zu zweiwertig negativen<br />

Schwefel-Ionen geworden, <strong>und</strong> die Magnesium-Atome zu zweiwertig positiven<br />

Magnesium-Ionen. Die negativen <strong>und</strong> positiven Ionen ziehen sich gegenseitig stark<br />

an, daher bilden die unterschiedlich geladenen Teilchen einen sehr stabilen (d.h.<br />

schwer zu trennenden) Ionen-Kristall.<br />

Schwefelwasserstoff = H 2 S<br />

Hier sehen wir einen Ausschnitt aus einem festen Schwefelwasserstoff-Kristall.<br />

Schwefelwasserstoff ist eine Molekülverbindung mit der Summenformel H 2 S. Ein<br />

Schwefelwasserstoff-Molekül besteht also aus einem Schwefel-Atom <strong>und</strong> zwei Wasserstoff-Atomen.<br />

An sich ist Schwefelwasserstoff ein Gas. Bei sehr niedrigen Temperaturen<br />

kann man aber festen Schwefelwasserstoff erhalten, <strong>und</strong> dann bilden die Mo-


leküle ein regelmäßig aufgebautes Kristallgitter. Bei Zimmertemperatur ist Schwefelwasserstoff<br />

allerdings gasförmig, <strong>und</strong> ein Ausschnitt aus einer Wolke gasförmigen<br />

Schwefelwasserstoffs sähe - in gleichem Maßstab - vielleicht so aus:<br />

Die Abbildung ist leider noch nicht sehr realistisch, der Abstand zwischen den<br />

Schwefelwasserstoff-Molekülen müsste bei Zimmertemperatur ein Vielfaches von<br />

dem betragen, was hier gezeichnet wurde.<br />

Atommodelle<br />

Unter einem Atommodell versteht man eine endliche Menge von Aussagen über<br />

Atome.<br />

Das älteste <strong>und</strong> einfachste Atommodell ist das von DALTON (18. Jahrh<strong>und</strong>ert).<br />

• Atome bestehen aus kleinen, massiven, unteilbaren Kugeln.<br />

• Jedes Element besteht aus einer eigenen Atomsorte. Es gibt also genau so<br />

viele Atomsorten, wie es Elemente gibt.<br />

• Jede Atomsorte hat einen bestimmten Radius <strong>und</strong> eine bestimmte Masse.<br />

• <strong>Chemische</strong> Reaktionen sind Teilchengruppierungen: Bei einer Reaktion gruppieren<br />

sich die Atome der Ausgangsstoffe lediglich um. Weder werden Atome<br />

vernichtet, noch entstehen neue.<br />

Die oben dargestellten Zeichnungen der Elemente <strong>und</strong> Verbindungen sind also stark<br />

an das Atommodell von DALTON angelehnt. Allerdings wusste DALTON noch nichts<br />

von der Existenz von Ionen; elektrisch geladene Atome kamen in seinem Atommodell<br />

nicht vor. Dennoch kann man mithilfe des DALTONschen Atommodells eine ganze<br />

Reihe einfacher Phänomene erklären, so zum Beispiel das Gesetz von der Erhaltung<br />

der Masse: Bei chemischen Reaktionen bleibt die Masse der Stoffe erhalten, die an<br />

der Reaktion teilnehmen. Die Begründung dieses Massenerhaltungssatzes: Alle an<br />

der Reaktion teilnehmenden Stoffe bestehen aus Atomen (auch wenn es sich um<br />

Verbindungen handelt, deren Moleküle bestehen ja ebenfalls aus Atomen). Und da<br />

Atome unteilbar sind, kann bei der Reaktion keine Masse verloren gehen. Umgekehrt<br />

ist es nicht möglich, dass neue Atome aus dem Nichts entstehen. Daher kann die<br />

Masse der beteiligten Stoffe bei einer chemischen Reaktion auch nicht zu- oder abnehmen.


Die Aggregatzustände<br />

<strong>und</strong> ihre Änderungen (Schmelzen, Verdunsten, Kondensieren, Erstarren) kann man<br />

gut mithilfe des DALTON-Modells erklären. Beim Schmelzen zum Beispiel lösen sich<br />

die Atome oder Moleküle des Reinstoffs voneinander, so "kommen in Fahrt", könnte<br />

man sagen. Dazu ist allerdings Energie notwendig. Ein Physiker würde wahrscheinlich<br />

sagen: "Die kinetische Energie E Kin der kleinsten Teilchen nimmt mit steigender<br />

Temperatur zu." ⇒ Brownsche Molekularbewegung:<br />

Rosinenkuchenmodell von THOMPSON<br />

Versuche wie z. B. die Elektrolyse von Kochsalz konnten mit dem DALTONschen<br />

Atommodell nicht mehr erklärt werden. Das folgende Bild zeigt ein Atom, wie man es<br />

sich nach dem Rosinenkuchenmodell von THOMPSON vorstellen muss:


In eine neutrale Gr<strong>und</strong>substanz sind sowohl positive (rot) wie auch negative Ladungen<br />

(blau) eingebettet, <strong>und</strong> zwar unregelmäßig, wie Rosinen in einem Kuchenteig.<br />

Jedes Atom enthält eine bestimmte Zahl positiver <strong>und</strong> negativer Ladungen. Da Atome<br />

elektrisch neutral sind, muss die Zahl der positiven <strong>und</strong> negativen Ladungen in<br />

einem Atom gleich sein.<br />

Die positiven Ladungen eines Atoms werden als Protonen bezeichnet, die negativen<br />

dagegen als Elektronen. Die Elektronen sind viel kleiner als die Protonen <strong>und</strong> können<br />

aus einem Atom entfernt werden. Das obige Bild zeigt zum Beispiel ein Bor-<br />

Atom mit 5 Protonen, dem zwei Elektronen entfernt wurden. Zurück bleibt ein zweifach<br />

positiv geladenes Bor-Kation (Kation = elektrisch positiv geladenes Ion). Im Gegensatz<br />

zu DALTON konnte THOMPSON also die Existenz elektrisch geladener<br />

Atome, so genannter Ionen, mithilfe einer Modellvorstellung erklären. Auch die Existenz<br />

negativer Ionen kann man mithilfe des THOMPSON-Modells gut erklären.<br />

Hier sehen wir ein Bor-Atom (5 Protonen, daher also das Element Bor) mit sechs<br />

Elektronen. Offensichtlich hat das Bor-Atom ein zusätzliches Elektron aufgenommen<br />

<strong>und</strong> ist dadurch zu einem einwertig negativen Bor-Anion geworden (Anionen = elektrisch<br />

negativ geladene Ionen). Die folgende Abbildung zeigt die Vorgänge bei der<br />

Elektrolyse einer Zinkbromid-Lösung. Die 30 Protonen des Zink-Atoms sind hier natürlich<br />

nicht mit eingezeichnet, <strong>und</strong> die 35 Protonen des Brom-Atoms ebenso wenig.<br />

Stattdessen ist ein vereinfachtes Modell - sozusagen das Modell eines Modells - gewählt,<br />

das nur 5 Protonen zeigt.


Hier sieht man, wie ein Zink-Kation (in Wirklichkeit mit 30 Protonen <strong>und</strong> 28 Elektronen)<br />

vom Minuspol der Elektrolyse-Einrichtung angezogen wird. An der Kathode,<br />

dem Minus-Pol, nimmt das Kation zwei Elektronen auf, so dass ein elektrisch neutrales<br />

Zink-Atom mit 30 Protonen <strong>und</strong> 30 Elektronen entsteht (von denen hier nur je fünf<br />

eingezeichnet sind).<br />

Das ist die chemische Reaktion, die am Minuspol während der Elektrolyse abläuft.<br />

Aufgabe<br />

Zeichnen <strong>und</strong> erläutern Sie die Vorgänge am Pluspol (Bromid-Anionen werden angezogen)<br />

auf analoge Weise.


Musterlösung (zum Vergleich mit Ihrer Lösung)<br />

Kern-Hülle-Modell nach RUTHERFORD<br />

RUTHERFORD wollte überprüfen, ob Atome wirklich so aufgebaut sind, wie sein Kollege<br />

THOMPSON angenommen hatte. Dazu beschoss er eine dünne Folie aus Gold-<br />

Atomen mit Alpha-Strahlen. Diese Strahlen entstehen beim radioaktiven Zerfall bestimmter<br />

Elemente wie Uran <strong>und</strong> bestehen aus zweifach positiv geladenen Helium-<br />

Atomen.


Wären die Gold-Atome rosinenkuchenartig aufgebaut, so müssten die meisten Alpha-Teilchen<br />

reflektiert werden, <strong>und</strong> nur extrem wenige Alpha-Teilchen dürften durch<br />

die dünne Goldfolie hindurch gehen.<br />

RUTHERFORD machte aber die folgende Entdeckung: Die meisten, über 99,9999%,<br />

der Alpha-Teilchen gingen geradlinig durch die 4000 Schichten von Gold-Atomen<br />

durch, aus denen die dünne Folie bestand. Nur ganz wenige wurden abgelenkt, <strong>und</strong><br />

noch weniger Alpha-Teilchen wurden reflektiert.<br />

RUTHERFORDs Schlussfolgerung aus diesem berühmten Streuversuch: Atome bestehen<br />

keineswegs aus einer <strong>und</strong>efinierbaren Masse, in die Protonen <strong>und</strong> Elektronen<br />

eingebettet sind, sondern die positiven Ladungen sind in einem extrem winzigen<br />

Atomkern konzentriert, während sich die Elektronen in der Atomhülle frei bewegen<br />

können.<br />

Hier sieht man ein Beryllium-Atom (4 Protonen, 4 Elektronen) nach dem Kern-Hülle-<br />

Modell von RUTHERFORD gezeichnet.<br />

Die "Gr<strong>und</strong>bausteine" des Atoms<br />

Atome enthalten drei Elementarteilchen: Protonen, Neutronen <strong>und</strong> Elektronen.<br />

Von außen betrachtet sind Atome zwar elektrisch neutral, aber im Inneren bestehen<br />

sie aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen <strong>und</strong> elektrisch neutralen<br />

Neutronen <strong>und</strong> einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen:<br />

Teilchen Symbol Masse [kg] Masse [u] Elementarladung Aufenthaltsbereich<br />

Proton: p+ 1,6726•10 -27 1,0073 +1 (positiv) Atomkern<br />

Neutron: n 1,6749•10 -27 1,0087 0 (ungeladen) Atomkern<br />

Elektron: e- 9,1096•10 -31 0,0005<br />

-1 (negativ)<br />

−1,602 10 −19 Elektronenhülle


Definitionen:<br />

Die atomare Masseeinheit: 1u = 1/12 der Masse eines 12 C Kohlenstoffatoms aus 6<br />

Protonen, 6 Neutronen <strong>und</strong> 6 Elektronen.<br />

1u = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 660 565 5g = 1,660565 x 10 -24 g<br />

1u = 1/12 der Masse von einem 12 C Atom<br />

Die Avogadro-Konstante N A = 6,022 x 10 23 /mol ist eine nach Amedeo Avogadro<br />

benannte physikalische Konstante, die als Teilchenzahl N pro Stoffmenge n definiert<br />

ist. Sie gibt die Zahl der Teilchen in einem Mol an.<br />

Die Stoffmenge 1 Mol enthält ebenso viele Teilchen wie 12 C -Atome in 12<br />

Gramm isotopenreinem 12 C -Kohlenstoff enthalten sind.<br />

In einem Mol einer Stoffportion befinden sich N A = 6,022 x 10 23 Teilchen (Atome<br />

oder Moleküle).<br />

Es gilt: N (Teilchenzahl) = N A • n (Anzahl Mole).<br />

Molvolumen V m von idealen Gasen:<br />

Es beschreibt das Volumen, welches von insgesamt 6,022 10 23 Gasteilchen<br />

(Avogadro-Konstante) einer Substanz ausgefüllt wird.<br />

V m = 22,4 l/mol bei Normbedingungen (T: 273,15 K = 0 °C, p: 10<strong>13</strong> hPa = 1,0<strong>13</strong> bar<br />

Schalen-Modell von BOHR<br />

Die Elektrolyse von Zinkbromid kann man mit dem Kern-Hülle-Modell genau so gut<br />

erklären wie mit dem Rosinenkuchen-Modell:


Hier sind nur die Vorgänge am Minuspol dargestellt, <strong>und</strong> die Zink-Atome <strong>und</strong> Zn-<br />

Kationen sind vereinfacht dargestellt.<br />

Aber warum ist das Zink-Kation zweifach positiv, das Natrium-Kation aber nur einfach?<br />

Wieso sind Aluminium-Kationen sogar dreifach positiv, während Schwefel<br />

überhaupt keine Kationen bildet, sondern zweifach negative Anionen, im Gegensatz<br />

zu Chlor, das nur einfach geladene Anionen bildet. Edelgase wiederum bilden weder<br />

Anionen noch Kationen. Wie kann man all diese Phänomene erklären? Mit dem RU-<br />

THERFORDschen Kern-Hülle-Modell geht das nicht.<br />

In den meisten Schulen wird heute mit dem Schalen-Modell gearbeitet, das auf den<br />

schwedischen Chemiker Nils BOHR zurückgeht. Danach besteht ein Atom - genau<br />

wie im Kern-Hülle-Modell - aus einer Atomhülle mit den Elektronen <strong>und</strong> einem Atomkern<br />

mit den Protonen (<strong>und</strong> Neutronen). Allerdings untergliedert sich die Hülle in<br />

mehrere Kugelschalen, die eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen können.<br />

Die innerste Kugelschale, die K-Schale, kann genau zwei Elektronen aufnehmen,<br />

die zweitinnerste Schale, die L-Schale, fasst schon acht Elektronen, die dritte<br />

Schale, die M-Schale, bietet 18 Elektronen Platz <strong>und</strong> so weiter.<br />

Hier sehen wir das Magnesium-Atom, vereinfacht gezeichnet nach dem Schalen-<br />

Modell. Vereinfacht insofern als die Schalen in "Wirklichkeit" nicht kreisförmig sind,<br />

sondern kugelförmig, also dreidimensional. Man sieht den Atomkern (die Neutronen<br />

wurden nicht eingezeichnet) <strong>und</strong> drei Schalen. Die K-Schale (innen) enthält zwei<br />

Elektronen, die L-Schale acht <strong>und</strong> die äußere M-Schale zwei Elektronen.<br />

Betrachten wir nun ein Neon-Atom:


Die K-Schale besitzt zwei Elektronen, die L-Schale acht. Eine M-Schale ist nicht vorhanden.<br />

Nun wollen wir noch das Chlor-Atom betrachten:<br />

Die Elektronenkonfiguration (ein neues, wichtiges Wort, bitte gut merken) ist beim<br />

Chlor-Atom K 2 L 8 M 7 .


Die Oktett-Regel<br />

Edelgase<br />

Man sollte es nicht glauben, aber es gibt Elemente, die noch edler sind als Silber <strong>und</strong><br />

Gold - <strong>und</strong> man sieht sie nicht, riecht sie nicht <strong>und</strong> kann sie nicht schmecken. Es<br />

handelt sich um die Edelgase der VIII. Hauptgruppe des Periodensystems: Helium,<br />

Neon, Argon, Krypton <strong>und</strong> Xenon.<br />

Während es von Silber <strong>und</strong> Gold noch zahlreiche Verbindungen gibt - man denke nur<br />

an Silbernitrat (Nachweismittel für Chlorid) oder das Silberbromid (Photographie),<br />

existieren nur sehr wenige Edelgasverbindungen. Und immer, wenn man es als<br />

Chemiker geschafft hat, eine neue herzustellen, kommt man gleich in die Zeitung, so<br />

selten sind Edelgasverbindungen.<br />

Edelgase heißen deswegen so, weil sie keine chemischen Reaktionen eingehen.<br />

Warum sind die Edelgase nun so edel? Die Ursache muss in ihrem atomaren Aufbau<br />

zu finden sein. Was haben alle Edelgasatome gemein? Nach kurzem Überlegen finden<br />

wir eine solche Gemeinsamkeit: alle Edelgasatome haben eine voll besetzte äußere<br />

Schale (Valenzschale).<br />

Offensichtlich stellt dies einen Zustand äußerster „Zufriedenheit“ dar, weder "wollen"<br />

die Edelgasatome ein Elektron abgeben, noch wollen sie ein weiteres aufnehmen.<br />

Dieser vollbesetzte Zustand ist derart günstig <strong>und</strong> erstrebenswert, dass Atome anderer<br />

Elemente einiges tun würden, um auch in diesen vollbesetzten Edelgaszustand<br />

zu kommen.<br />

Und genau das ist die Triebkraft für jede chemische Reaktion zwischen Elementen:<br />

jedes Element versucht, Atome mit einer vollbesetzten äußere Elektronenhülle zu<br />

haben, damit diese in den Edelgaszustand kommen.<br />

Ionenbindung<br />

Schauen wir uns noch einmal das Chlor-Atom - gezeichnet nach dem Schalen-<br />

Modell - an. Das Chlor-Atom hat sieben Elektronen auf der Außenschale (man<br />

spricht auch von sieben Valenzelektronen oder sieben Außenelektronen). Es "möchte"<br />

aber gern acht Elektronen auf seiner Außenschale haben, dann hätte es nämlich<br />

die stabile Elektronenkonfiguration des Edelgases Argon. Um diese Konfiguration zu<br />

erlangen, muss ein Chlor-Atom genau ein Elektron aufnehmen <strong>und</strong> in seine Außenschale<br />

integrieren. Dass das Chlor-Atom dabei in ein einfach negativ geladenes<br />

Chlorid-Anion umgewandelt wird, sollte klar sein, denn es hat ja jetzt in der Hülle ein<br />

Elektron mehr als es Protonen im Kern hat.<br />

Betrachten wir noch einmal das Magnesium-Atom:


Muss das Mg-Atom sechs Elektronen aufnehmen, um in den erwünschten Edelgaszustand<br />

zu kommen? Das wäre aber sehr umständlich; es geht einfacher. Wenn das<br />

Mg-Atom nämlich seine beiden Außenelektronen abgibt, so entfällt die M-Schale, <strong>und</strong><br />

die L-Schale, die ja acht Elektronen enthält, wird zur Außenschale. Und genau so<br />

geht es. Das Mg-Atom gibt seine beiden Außenelektronen ab <strong>und</strong> erhält dadurch die<br />

gewünschte Konfiguration des Edelgases Neon. Da das Mg-Atom nun zwei Elektronen<br />

weniger hat, ist ein zweifach positiv geladenes Mg-Kation Mg 2+ entstanden.<br />

Reaktionen von Metallen mit Nichtmetallen<br />

Gibt man erhitztes Magnesium in einen Standzylinder mit Chlorgas, so setzt eine heftige<br />

chemische Reaktion ein. Das Magnesium verbindet sich mit dem Chlor zu Magnesiumchlorid.<br />

Magnesiumchlorid MgCl 2 ist eine Ionenverbindung, die aus zweiwertig<br />

positiven Magnesium-Ionen <strong>und</strong> einfach negativen Chlorid-Ionen besteht. Ursache<br />

für diese chemische Reaktion ist das Streben der Atome nach einer vollbesetzten<br />

Außenschale. Die Mg-Atome geben je zwei Elektronen ab, während die Cl-Atome je<br />

ein Elektron aufnehmen. Daher werden auch doppelt so viele Chlor-Atome benötigt<br />

wie Magnesium-Atome, eine Tatsache, die weder DALTON, THOMPSON noch RU-<br />

THERFORD mit ihren Modellen erklären konnten.<br />

Die positiven Mg-Kationen <strong>und</strong> die negativen Cl-Anionen ziehen sich nun gegenseitig<br />

stark an. Die Anziehungskräfte sind so stark, dass sich ein regelmäßig zusammengesetzter<br />

MgCl 2 -Kristall ergibt.<br />

Das Kugelwolkenmodell<br />

Als erstes betrachten wir uns eine Darstellung mit dem Kugelwolkenmodell. Die wichtigsten<br />

Begriffe werden hier eingeführt.


Die vier Kugelwolken werden zuerst einfach mit Elektronen besetzt, erst anschließend<br />

wird doppelt mit zwei Elektronenbesetzt.<br />

Beim Kugelwolkenmodell entsteht leicht der Eindruck, als würden die Elektronen der<br />

inneren Schalen nicht mehr existieren. Die nächste Darstellung soll hier Klarheit<br />

schaffen.


In der Tat ist das Kugelwolkenmodell nicht nur eine Erweiterung des Schalenmodells,<br />

sondern gleichzeitig auch eine ziemliche Vereinfachung, da man die inneren Schalen<br />

nicht mehr berücksichtigen muss.


Die Ionenbindung nach dem Kugelwolkenmodell<br />

Hier müssen Sie sich an den Unterricht über die Ionenbindung erinnern. Nach der<br />

Oktettregel will jedes Atom eine voll besetzte Außenschale haben.


Nach der Elektronenabgabe hat das Kalium, welches nun als Ion vorliegt, vier leere<br />

Kugelwolken. Auf den ersten Blick ist das ganz einleuchtend: vorher drei leere <strong>und</strong><br />

eine einfach besetzte Kugelwolke, nun vier leere.<br />

Aber eine Elektronenschale ist quasi durch ihre Elektronen definiert. Enthält sie keine<br />

Elektronen, so ist sie eigentlich nicht vorhanden. Streng genommen, gibt es also keine<br />

leeren Kugelwolken bzw. keine leere Elektronenschale.<br />

Aus Anschauungsgründen ist es aber manchmal eben sinnvoll, von leeren Schalen<br />

bzw. Kugelwolken zu sprechen, so wie bei der Abbildung links unten auf der letzten<br />

Folie.


Anmerkungen zu den bisher erarbeiteten Atommodellen<br />

"Welches Atommodell ist denn nun richtig?" Wie oft hat man diese Frage von Schülern<br />

gehört. Natürlich ist keines der hier vorgestellten Atommodelle "das absolut richtige",<br />

<strong>und</strong> auch kein zukünftiges. Man muss sich einmal klar machen, was ein Modell<br />

überhaupt ist. Welches Modell einer berühmten Dampflokomotive ist denn das richtige,<br />

das ganz kleine für Spur N, das große für Spur HO, oder das ganz große für den<br />

Garten? Oder das noch größere aus Weichkunststoff für das Kleinkind? Oder das<br />

kaum als Lok erkennbare des berühmten dänischen Bildhauers? Alle fünf sind Modelle<br />

der richtigen Lok, genauso sind alle Atommodelle nur Modelle eines richtigen<br />

Atoms.<br />

Die Frage müsste richtiger heißen: "Welches Atommodell ist aussagekräftiger?". Diese<br />

Frage lässt sich recht einfach beantworten. Das DALTONsche Kugelteilchenmodell<br />

ist am wenigsten aussagekräftig, <strong>und</strong> das moderne Kugelwolkenmodell, welches<br />

wir noch kennenlernen, ist am aussagekräftigsten. Und das quantenmechanische<br />

Atommodell, welches wir bestenfalls andeutungsweise kennenlernen werden, ist<br />

noch aussagekräftiger.


Der Gr<strong>und</strong>satz, den man den Schülern im Unterricht zu vermitteln versucht, ist der:<br />

Atommodelle braucht man, um Phänomene aus dem Alltag der Chemie zu erklären.<br />

Und dann nimmt man stets das einfachste Atommodell, welches das Phänomen widerspruchsfrei<br />

erklärt. Wenn man z. B. erklären möchte, wieso 100 ml Wasser <strong>und</strong><br />

100 ml Alkohol zusammen nicht 200 ml Gemisch ergeben, sondern nur 194 ml, so<br />

braucht man kein quantenmechanisches Atommodell, es reicht hier das DALTONsche<br />

Atommodell völlig aus, nach dem Atome oder "kleinste Teilchen" kugelförmig<br />

sind <strong>und</strong> unterschiedliche Durchmesser haben.<br />

Wenn man die Zinkbromid-Elektrolyse erklären will, reicht das DALTON-Modell dagegen<br />

nicht aus. Aber das THOMPSONsche Rosinenkuchenmodell liefert schon eine<br />

ausreichende Erklärung für die Existenz von Kationen <strong>und</strong> Anionen.<br />

Und wenn man erklären muss, wieso Alkalimetalle <strong>und</strong> Halogene leicht reagieren,<br />

Edelgase dagegen nicht, braucht man ein noch besseres Atommodell. Das Rosinenkuchenmodell<br />

reicht dafür nicht aus. Auch das Kern-Hülle-Modell von RUTHER-<br />

FORD nicht. Man braucht schon ein Atommodell, mit dem man die Oktettregel erklären<br />

kann. Das einfachste Atommodell hierfür ist sicherlich das Schalenmodell von<br />

BOHR.<br />

Die räumliche Struktur des Methanmoleküls kann man damit aber wiederum auch<br />

noch nicht erklären, also nehmen wir hier das Kugelwolkenmodell nach Kimball, welches<br />

hauptsächlich von Chemiedidaktikern entwickelt wurde, die wohl keine Lust hatten,<br />

ihren Schülern das quantenmechanische Modell zu erklären.<br />

Heutige Chemiedidaktiker haben neuerdings die tolle Idee, dass es dem Alltagsdenken<br />

von Schülern überhaupt nicht entspricht, wenn sie verschiedene Atommodelle<br />

kennenlernen. Am besten wäre es, den Schülern gleich das "richtige" Modell zu vermitteln.<br />

Diese Ansicht ist allerdings strikt abzulehnen, denn gerade das sukzessive<br />

Behandeln verschiedener Atommodelle öffnet doch den Blick für das Wesen einer<br />

Modellvorstellung. Nur so lernen die Schüler kritisch mit dem Modellbegriff umzugehen.<br />

Nur so lernen sie, wie man später im Beruf selbst Modellbildungen vornimmt,<br />

<strong>und</strong> worauf dabei im Wesentlichen zu achten ist.

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