André Reinke und Alfred Flint

Das „Kugelwolken-Modell“

Atomaufbau, Kugelwolkenmodell
Tafelbild mit der KWM-Darstellung der Elemente der ersten beiden Perioden. Die gestrichelten Kreise stellen die Grenzen der jeweiligen Energiestufe dar., © André Reinke und Alfred Flint

André Reinke und Alfred Flint

Die bessere Alternative zum Schalenmodell!?

In praktisch jedem Chemie-Lehrgang erfolgt mehr oder weniger zügig neben der Betrachtung der stofflichen auch die der submikroskopischen Ebene, der Teilchenstruktur der Materie. Üblicherweise wird zunächst ein undifferenziertes Teilchenmodell vermittelt/reaktiviert, um beispielsweise die unterschiedlichen Aggregatzustände und die Übergänge dazwischen zu erklären. Es folgt in der Regel etwas später die Einführung des Daltonschen Atommodells und daraufhin, wieder etwas später, die Einführung eines differenzierten Atommodells. Damit werden dann nicht nur die Atomzahlenverhältnisse in Verbindungen erklärbar, sondern auch unterschiedliche Bindungen und Bindungsarten erläutert. In den meisten Lehrplänen und auch gängigen Schulbüchern handelt es sich bei diesem ersten differenzierten Atommodell um das von Bohr und Sommerfeld, welches auch als Schalenmodell bezeichnet wird (s. z.B. [1, 2, 3]). Man führt es üblicherweise über eine kurze Betrachtung der Rutherford-Versuche (Atome bestehen aus einem positiv geladenen Atomkern und einer Hülle, in der sich die negativ geladenen Elektronen aufhalten) ein. Es folgt eine Betrachtung der Ionisierungsenergien von einer oder zwei Perioden für jeweils das erste Elektron. Dabei ist eine gewisse Regelmäßigkeit zu erkennen, die letztlich Rückschlüsse auf eine Strukturierung der Atomhülle in Energiestufen zulässt. Nach einer Betrachtung räumlicher Strukturen von Salzen, der Atombindung, der polaren Atombindung und der Ionenbindung sowie dem Übergang auf die Lewis-Schreibweise werden schließlich ausgewählte Aspekte des Elektronenpaar-Abstoßungsmodells (VSEPR) thematisiert. In der gymnasialen Oberstufe erfolgt dann in vielen Fällen nach einer kurzen Wiederholung der Entwicklung der Atommodelle die Einführung des Orbitalmodells. Weitere Informationen zu unterschiedlichen Wegen zur Einführung und Differenzierung der Atomvorstellung sowie festgestellten Verständnisschwierigkeiten und Demotivation der Schülerinnen und Schüler durch die Modellvielfalt finden sich in [4].
Im Folgenden werden das sogenannte „Kugelwolken-Modell als eine sinnvolle und deutlich leistungsfähigere Alternative zum Bohrschen Atommodell und die sich anschließenden räumlichen Betrachtungen in den Fokus gerückt. Dazu soll zunächst kurz auf den wissenschaftlichen Ursprung des Modells und dann auf dazu neu entwickelte, unterstützende Medien eingegangen werden.
Ursprung und Entwicklung des Kugelwolkenmodells
Der vielleicht kindlich-naiv klingende Name des Kugelwolken-Modells (KWM) täuscht darüber hinweg, dass es seine Wurzeln in der Fachwissenschaft hat. In den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts lieferte das bereits 30 Jahre zuvor entwickelte Orbitalmodell zwar befriedigende Ergebnisse zu Molekülberechnungen. Diese durchzuführen, erforderte jedoch aufgrund der Komplexität des Modells durch die verschiedenen Orbitale und Orbitalformen einen erheblichen mathematischen Aufwand, der zudem noch ohne leistungsstarke Computer oder Taschenrechner zu leisten war. Neben anderen Wissenschaftlern war deshalb auch George Elbert Kimball (1906 –1967) darum bemüht, ein weniger rechenaufwändiges Atommodell zu entwickeln, welches trotz Vereinfachung gute Ergebnisse bei Molekülberechnungen ermöglicht. Die Grundidee bei dem von ihm entwickelten und 1957 veröffentlichten Modell [5] war, anstelle der variationsreichen Orbitalformen, einfache kugelförmige s- und p-Orbitale zu verwenden. Trotz dieser Vereinfachung ließen sich mit diesem Modell bei Berechnungen überraschend gute Ergebnisse für einfache Atome und Moleküle erzielen. Allerdings konnte Kimball sein Modell nicht weiterentwickeln, da ihn eine Herzerkrankung ereilte, an deren Folge er letztlich 1967 verstarb. Kimballs Ansatz wiederum inspirierte Henry A. Bent zu einer eigenen Interpretation dieses Modells, dem „Tangent-Sphere-Model (TSM) [6]. Dieses enthielt als weitere Vereinfachung,...
Unterricht Chemie
Sie sind bereits Abonnent?

Mein Konto

Weiterlesen im Heft

Ausgabe kaufen

Unterricht Chemie abonnieren und digital lesen!
  • Exklusiver Online-Zugriff auf Ihre digitalen Ausgaben
  • Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
  • Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen

Zeitschrift abonnieren

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

Bindungen und Wechselwirkungen

Zeitschrift "Unterricht Chemie" Premium-Beitrag Praxis Schuljahr 9-10