Jürgen Schnitker und Christian Herdt

Bindungskonzepte vermitteln

Chemische Bindungen, Digitale Modelle, Bindungskonzepte, Elektronendichte, Elektronenwolkenmodelle
Isooberflächen der Elektronen-Dichte eines Ozonmoleküls und eines Sulfations , © Christian Herdt

Jürgen Schnitker und Christian Herdt

Visualisierung von Bindungen und Wechselwirkungen mit wissenschaftlich fundierten Modellen

2019 markiert das 80-jährige Jubiläum der Veröffentlichung eines der einflussreichsten Bücher in der Geschichte der Chemie, Linus Paulings „The Nature of the Chemical Bond [1]. Interessanterweise ist das Thema des Buches noch immer Gegenstand intensiver Diskussion. Dies gilt sowohl für tiefgehende physikalische Erklärungsversuche chemischer Bindungen (Warum bilden sich diese überhaupt?) [2] als auch für die geeigneten Modelle für die Analyse molekularer Strukturen (Valence-Bond- oder Molekülorbital-Theorie?) [3]. Für eine Chemielehrkraft wird es noch herausfordernder: Wie vermitteln wir Bindungskonzepte, die für die Schülerinnen und Schüler nicht nur völlig neu und erst einmal fremdartig sind, sondern die scheinbar auch wenig miteinander zu tun haben? [4] In diesem Beitrag wird beschrieben, wie sich mit der Software ODYSSEY Molecular Explorer (Kasten1) neue Perspektiven für die Veranschaulichung der bindenden Kräfte zwischen Atomen, Ionen und Molekülen ergeben.
1|ODYSSEY Molecular Explorer/ Teilchen und Materie
1|ODYSSEY Molecular Explorer/ Teilchen und Materie
Wavefunction, Inc., 18401 Von Karman #370, Irvine, CA 92612, USA; sales@wavefun.com
Abrufbar zu Testzwecken unter https://www.wavefun.com/demo-request-1
Lehrer-Edition: 250 € (1 Computer; permanent); Standort-Lizenz: 400 € (≤ 3 Lehrer, ≤ 100 Computer; pro Jahr)
Odyssey ist ein Schwesterprogramm von „Spartan, einer Software mit der sich quantenmechanische Berechnungen und Modellierungen durchführen lassen. Der wohl wichtigste Unterschied ist, dass in Odyssey Details der Rechnungen und Simulationen vom Programm automatisch gewählt werden und somit „hinter dem Vorhang bleiben [7]. Odyssey kommt aus dem amerikanischen Sprachraum, enthält aber auch eine deutschsprachige Komponente, „Teilchen und Materie. Das Programm ist mit normalen Laptops kompatibel, die das Windows- oder Macintosh-Betriebssystem benutzen.
Wissenschaftliches Modellieren im Chemieunterricht
Die hier von uns vorgestellten molekularen Modelle können alle mit den Methoden der modernen Computerchemie wissenschaftlich validiert werden. Diese Art von Modellierung hat heutzutage ihren festen Platz in der chemischen Forschung, wo sie hilft, Reaktionen und Mechanismen vorherzusagen und generell zum Verständnis chemischer Prozesse beiträgt. Die auf elementaren physikalischen Gleichungen basierende Modellierung kann jedoch auch im Bildungsbereich sehr hilfreich sein, um das Struktur-Eigenschafts-Denken zu unterstützen. So ist es möglich, nicht nur die Raumstruktur eines Moleküls zu zeigen, sondern wenn ein quantenmechanisches Modell benutzt wird auch die Elektronenwolke [5]. Zudem können intermolekulare Wechselwirkungen nicht nur statisch als Momentaufnahmen visualisiert werden, sondern auch dynamisch durch das Lösen von Newtons Gleichungen für eine Reihe von Molekülen, die miteinander in Wechselwirkung stehen [6].
Im Folgenden werden Beispiele vorgestellt, die illustrieren, wie computergestützte Visualisierungen auf der Basis des Programms Odyssey zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Atomen, Ionen und Molekülen beitragen können. Die Beispiele werden jeweils durch Leitfragen eingeleitet, welche im Anschluss geklärt werden.
Elektronenwolkenmodelle
Kovalente Bindungen
Was bedeuten denn eigentlich die Linien, die die Atome in den Lewis-Strukturen von Molekülen verbinden? Sammeln sich die Elektronen in den kovalenten Bindungen an? Abbildung1 zeigt die visualisierte Elektronenhülle eines Wassermoleküls in der Form von Isooberflächen der Elektronendichte: An allen Punkten einer gegebenen Oberfläche hat die Elektronendichte (in Elektronen/pm3) genau den gleichen Wert. Abbildung2 zeigt genau das Gleiche für ein Molekül des Benzols. Die Prozentzahlen zeigen, welcher Anteil der gesamten Elektronenhülle (10...

Friedrich+ Chemie

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 169 / 2019

Bindungen und Wechselwirkungen

Friedrich+ Kennzeichnung Praxis Schuljahr 11-13