Elektronenwolke und Orbitalmodell

Elektronenwolke und Orbitalmodell

Das Kern-Hülle-Modell besagt, dass Atome aus einem Atomkern und einer Atomhülle bestehen. Rutherford hat entdeckt, dass sich im Atomkern zwar nahezu die gesamte Masse eines Atoms befindet, dieser Bereich aber im Vergleich zur Atomhülle räumlich gesehen sehr klein ist.
Die Atomhülle ist riesig, obwohl sich dort nur die winzigen, fast masselosen Elektronen befinden. Wie also ist die Atomhülle genau beschaffen? Wie verteilen sich die Elektronen dort? Und was spielt sich dort ab, wenn Atome chemische Bindungen eingehen?

Antworten auf diese Fragen liefert das bohrsche Schalenmodell – es teilt die Atomhülle in mehrere, wie Schichten aufgebaute und nach festen Regeln mit Elektronen besetzte Elektronenschalen ein. Die Elektronen bewegen sich als kleine, punktförmige Teilchen in diesen Schalen wie auf festgelegten, kreisförmigen Bahnen um den Atomkern.
Allerdings ist das eine stark vereinfache Modellvorstellung, die das Verhalten der Elektronen in einigen Punkten nicht vollständig erfasst.
Ein etwas genaueres Bild liefert das Modell der Elektronenwolke. Elektronenwolken kommen im sogenannten Kugelteilchenmodell und im Orbitalmodell zum Einsatz und bauen auf den Vorstellungen des Kern‑Hülle‑Modells und des Schalenmodells auf.

Mit Elektronenwolken, die sich überlagern, kann beschrieben werden, wie Atome chemische Bindungen eingehen. Damit können nicht nur Atomorbitale, sondern auch Molekülorbitale definiert werden, die beschreiben, wie sich die Elektronen in Atomen und Molekülen verteilen.

Die Elektronenwolke

Die Vorstellung der Elektronenwolke ähnelt der Elektronenschale im bohrschen Atommodell. Allerdings bewegen sich die Elektronen in der Elektronenwolke nicht mehr auf einer festen, kreisförmigen Bahn.

Mit dieser Vorstellung wird die Tatsache berücksichtigt, dass Elektronen nicht als feste, punktförmige Teilchen anzusehen sind, sondern auch Eigenschaften einer Welle haben – ihr genauer Aufenthaltsort (und damit die Ladungsverteilung) kann nicht exakt bestimmt werden, sondern nur mit einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit in einem bestimmten Bereich – einer Art Ladungswolke – angegeben werden.

Form und Größe einer Elektronenwolke hängen von der Anzahl der Elektronen und der Art des Atoms ab. Im Kugelwolkenmodell wird grundsätzlich von kugelförmigen Elektronenwolken (Kugelwolken) ausgegangen.

Elektronenwolken im Kugelwolkenmodell

Im Kugelwolkenmodell wird eine kugelförmige Elektronenwolke (Kugelwolke) als Aufenthaltsraum für maximal zwei Elektronen definiert. Ausgehend vom bohrschen Schalenmodell werden die Schalen eines Atoms nun mit diesen Kugelwolken besetzt.

Mit wachsender Entfernung zum Atomkern passen immer mehr Elektronenwolken auf eine Schale. Die Anzahl der Elektronen, die auf die $n$-te Schale passen, berechnet sich nach der Formel $2\,n^{2}$.
Jede Elektronenwolke wird aufgrund der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen zunächst einzeln besetzt und erst dann paarweise. Wie viele Elektronenwolken auf eine Schale passen, hängt von der Größe der Schale und damit von der Entfernung zum Atomkern ab

Dieses Modell hilft, zu verstehen, wie Atome Bindungen eingehen, da sich ungepaarte Elektronen in den Kugelwolken mit anderen Atomen verbinden können. Eine hilfreiche Vorstellung ist, dass Kugelwolken dabei überlappen und sich zwei nicht voll besetzte Kugelwolken zu einer vereinigen können.

Von der Elektronenwolke zum Orbital

Das Orbital stellt eine Erweiterung der Vorstellung von kugelförmigen Elektronenwolken dar. Ähnlich wie die Elektronenwolken im Kugelwolkenmodell kann ein Orbital mit maximal zwei Elektronen besetzt werden.
Allerdings werden verschiedene Orbitale in einem Atom unterschieden, die verschiedenen Energiezuständen entsprechen. In höheren Energiezuständen gibt es Orbitale, die nicht kugelförmig sind, sondern andere, teilweise sehr komplexe Formen aufweisen.

Es gibt kugelförmige Orbitale, sogenannte $s$-Orbitale, aber beispielsweise auch hantelförmige $p$-Orbitale und noch weitere Formen. In der folgenden Abbildung sind einige Arten von Orbitalen dargestellt.

Da in einem Atom in den höheren Schalen mehr Elektronen Platz finden, wird auch die Zahl der Atomorbitale immer größer und ihre Ausformungen werden komplexer. Die Energiezustände, die durch die Orbitale verdeutlicht werden, können mathematisch durch Quantenzahlen ausgedrückt werden.

Ähnlich wie die kugelförmigen Elektronenwolken können auch Orbitale überlappen. Wenn zwei oder mehr Atome eine chemische Bindung eingehen, können bestimmte Orbitale zu Molekülorbitalen verschmelzen. Orbitale können also, wie Elektronenwolken, auch Bindungen in einem Molekül verdeutlichen. Sie spiegeln dabei aber wesentlich genauer die Energiezustände und Bindungszustände der Elektronen und Elektronenpaare wider.

Orbitale im Orbitalmodell

Das Orbitalmodell ist eine Erweiterung des Kugelwolkenmodells, mit dem Energiezustände und Bindungszustände durch Atomorbitale und Molekülorbitale anstelle von einfachen Kugelwolken dargestellt werden.

Während der Begriff Elektronenwolke manchmal als Synonym für die gesamte Atomhülle eines Atoms, also die Ladungswolke aller negativ geladenen Elektronen, verwendet wird, bezeichnet der Begriff Orbital immer einen ganz spezifischen, genau bestimmten Bereich.
Man unterscheidet Atomorbitale und Molekülorbitale – wenn zwei Atomorbitale von verschiedenen Atomen überlappen, entsteht ein Molekülorbital, das eine neue, ebenfalls genau definierte Form hat.
So lassen sich mit dem Orbitalmodell auch chemische Bindungen und die dadurch entstehenden Molekülstrukturen einer chemischen Verbindung erklären.

Durch die Quantenzahlen sind Orbitale im Orbitalmodell mit festgelegten Energiezuständen verknüpft. Man spricht auch von Energieniveaus. Hier besteht eine Verbindung zum bohrschen Schalenmodell, denn auch dort stehen die Schalen für bestimmte Energieniveaus. Es ist eine wesentliche Erkenntnis der Quantenmechanik, dass Elektronen nur ganz bestimmte Energiezustände annehmen können. Diese Energiezustände werden im Orbitalmodell veranschaulicht.
Das Orbitalmodell stellt in diesem Sinne eine Erweiterung des Kern‑Hülle‑Modells und des bohrschen Schalenmodells dar und steht nicht mit diesen in Widerspruch.

Elektronenwolke und Orbitalmodell – Bedeutung

Der Begriff der Elektronenwolke hilft dabei, die Struktur der Atomhülle und das Verhalten von Elektronen besser zu verstehen.
Das Kugelwolkenmodell ermöglicht darauf aufbauend eine einfache Vorstellung von chemischen Bindungen, insbesondere der Atombindung, also der kovalenten Bindung.
Das Orbitalmodell ist noch genauer, es berücksichtigt die unterschiedlichen Formen der Aufenthaltsräume von Elektronen in verschiedenen Energiezuständen. Es wird vor allem in der Quantenchemie verwendet, um Elektronenverteilungen und Reaktivitäten von Atomen und Molekülen zu veranschaulichen.
Beide Modelle tragen dazu bei, chemische Reaktionen und Bindungen verständlicher zu machen, und bilden die Grundlage für weiterführende Konzepte in der Chemie.