Info- Kugelwolkenmodell von Kimball

Info zum George Elbert Kimball

George Elbert Kimball (1906 -1967) war ein US-amerikanischer theoretischer Chemiker und Pionier der Optimierungsrechnung.
Sein Kugelwolken-Modell baut auf den vorherigen Atommodellen auf und vereinfacht das komplexe Orbitalmodell.

Aussagen von dem Kugelwolkenmodell

  • Jeder Stoff besteht aus kleinsten, unteilbaren Teilchen, den Atomen.
  • Alle Atome eines Elements haben das gleiche Volumen und die gleiche Masse.
    Die Atome unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in ihrem Volumen und in ihrer Masse.
     © Wikipedia, Demokrit, 28.01.2020, Angepasst von A.Spielhoff,  CC BY SA 3.0

  • Atome sind unzerstörbar. Sie können durch chemische Reaktionen weder vernichtet noch erzeugt werden.
  • Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe nur neu angeordnet und in bestimmten Anzahlverhältnissen miteinander verbunden.
     © Wikipedia, John Dalton, 27.01.2020, CC BY SA 3.0

  • Atome besitzen einen winzigen Atomkern, der aus positiven Protonen aufgebaut ist. Die Elektronen befinden sich in der Atomhülle.
  • Atome enthalten eine gleiche Anzahl von positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen, daher sind Atome nach außen hin elektrisch neutral.

Das Schalenmodell wird durch das Kugelwolkenmodell von Kimball ersetzt welches eine eine Vereinfachung das Orbitalmodells ist.

  • Die Atomhülle mit Elektronen besteht aus mehreren Schalen.
    Jede Schale fasst eine bestimmte maximale Anzahl von Elektronen:
    • K-Schale=2
    • L- Schale=8
    • M-Schale=18
    • etc. (maximale Elektronen = 2Schalen 2)

Das Kugelwolkenmodell ist eine Vereinfachung des Orbitalmodells.

  • Die Elektronen befinden sich in „kugelförmigen Ladungswolken“ (kurz: Kugelwolken).
  • Jede Schale enthält eine bestimmte Anzahl von Kugelwolken, die jeweils maximal zwei Elektronen fassen.
    • K-Schale=1 Kugelwolke,
    • L- Schale=4 Kugelwolke,
    • M-Schale=9 etc. Kugelwolke etc.
    • (Anzahl Kugelwolken = Schalen 2)
  • In der äußersten Schale können sich nie mehr als 4 Kugelwolken (also maximal 8 Elektronen) befinden, wobei die Kugelwolken den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen.
  • Die Kugelwolken einer Schale werden zunächst alle einfach und dann doppelt besetzt.
  • Bindungen entstehen durch Überlappung einfach besetzter Kugelwolken.

Möglichkeiten von Atomen:

  • Atome können Elektronen abgeben und werden dann zu elektrisch positiv geladenen Ionen (Kationen).
  • Atome können Elektronen aufnehmen und werden dann zu elektrisch negativ geladenen Ionen (Anionen).

Die Modellart

Das Modell ist differenziert und kann auch dreidimensionale Dinge erklären.

Darstellung eines Sauerstoff Atoms mit dem Kugelwolkenmodell

A.Spielhoff, 6 Kugelwolkenmodell, CC BY 4.0

A.Spielhoff, 6-Kugelwolkenmodell,  CC BY SA 4.0

Genauigkeit des Modell am Beispiel eines Autos

L.Ebbersmeyer, Modell 5 (Kugelwolkenmodell), CC BY SA 4.0

L.Ebbersmeyer, Modell 5 (Kugelwolkenmodell),  CC BY SA 4.0

Erklärung zum Kugelwolkenmodell

© A.Spielhoff, Kugelwolkenmodell beschriftet , CC BY 4.0

Das Kugelolkenmodell

Das Kugelwolkenmodell (KWM, kimballsches Atommodell, Tetraedermodell) ist ein häufig verwendetes Atommodell, mit dem sich viele Phänomene (Atombindung, Molekülbau) erklären lassen. Es stellt eine Erweiterung des Schalenmodells dar und ist eine Vereinfachung gegenüber dem genaueren Orbitalmodell.

Aus dem Schalenmodell von Bohr übernommen sind die Elektronenschalen, die um den Atomkern angeordnet sind. 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.
Aufgrund der zunehmenden Größe der Schalen passen dementsprechend immer mehr Elektronenwolken auf eine Schale.
Allerdings nimmt die äußere Schale, wie schon im Schalenmodell festgelegt, zunächst nicht mehr als acht Elektronen auf.

Besetzung der Kugelwolken

  1. Bei der Besetzung der Kugelwolken gilt:
    Protonen und Neutronen befinden sich im Atomkern.
    Die Elektronen befinden sich in „kugelförmigen Ladungswolken“ (Kugelwolken) um den Kern herum.
    Die Anzahl der Elektronen in ungeladenen Atomen ist genau so groß wie die Anzahl der Protonen.
    In einer Kugelwolke können sich maximal zwei Elektronen aufhalten.
    • Kugelwolken die nur mit einem Elektron besetzt sind werden hell gezeichnet.
    • Kugelwolken die mit zwei Elektronen besetzt sind werden dunkel gezeichnet.
  2. Prinzip der geringsten Energie:
    Die vier möglichen Kugelwolken werden zunächst einfach und dann doppelt besetzt.
  3. Oktettregel:
    In der äußersten Energiestufe (Schale) können sich nie mehr als acht Elektronen (also maximal 4 Kugelwolken) befinden.
  4. geometrische Form:
    Die Kugelwolken nehmen den größtmöglichen Abstand zueinander ein.
  5. Vereinfachung:

    Im Kugelwolkenmodell werden zur Vereinfachung nur die äußerten Kugelwolken gezeichnet.
    Alle inneren Kugelwolken mit ihren Elektronen werden als eine zentrale Kugelwolke zusammen mit dem Elementsymbol geschrieben

© A.Spielhoff, Kugelwolkenmodell + Bohr (O) beschriftet, CC BY 4.0

© A.Spielhoff, Kugelwolkenmodell + Bohr (O) beschriftet, CC BY 4.0

© A.Spielhoff, Kugelwolkenmodell-Bor,, CC BY 4.0

Kugelwolkenmodell und das Periodensystem

  • Hauptgruppen = Anzahl der (Aussen) Elektronen in den Kugelwolken
  • Elementsymbol = Symbol in der zentralen Kugelwolke

Mit dem Kugelwolkenmodell lassen sich erklären:

  • die Entstehung von positiven und negativen Ionen.
  • der Aufenthaltsort der Protonen (Kern) und der Elektronen (Hülle) in einem Atom.
  • der Aufbau des Periodensystems.
  • die geometrische Anordnung der Elektronen.
  • die chemischen Reaktionen der Atome und die chemischen Bindungen.
  • die räumliche Struktur von Atomen und Molekülen.

Das Kugelwolkenmodell und die Lewis-Formel

In der folgenden Tabelle sind die ersten 18 Atome als Kugelwolkenmodell und Lewis-Formel dargestellt.

I

II

III

VI

V

VI

VII

VIII

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