Orbitalmodell

Info zum Orbitalmodell

Nach dem Orbitalmodell (1928) besteht das Atom aus einem Kern, der von Elektronen in Orbitalen umgeben ist. Die Form der Orbitale ist durch die räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen gegeben.
Das Orbitalmodell ist das bis heute genaueste Atommodell.
Grundlage hierfür waren fundamentale Erkenntnisse von Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg in den Jahren 1926 und 1927, die unabhängig voneinander und mit verschiedenen mathematischen Zugängen die Quantenmechanik begründeten.

Aussagen von dem Orbitalmodell

  • 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

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).

  • 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 Orbitalmodell von Kimball ersetzt.

  • 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)

  • Die Elektronen befinden sich in sogenannten Orbitalen.
    (Ein Orbital beschreibt einen bestimmten Bereich / Raum um einen Atomkerne, in dem sich ein Elektron mit einer Wahrscheinlichkeit von ungefähr 90 % aufhält.
    Die genaue Position des Elektrons kann nicht ermittelt werden.)
  • Jede Schale enthält eine bestimmte Anzahl von Orbitalen, die jeweils zwei Elektronen fassen.
    • K-Schale= 1 • s-Orbital,
    • L- Schale= 1 • s-Orbital, 3 • p-Orbitale,
    • M-Schale= 1 • s-Orbital, 3 • p-Orbitale, 5 • d-Orbitale.
    • (Anzahl Orbital = Schalen 2)
  • Die s-Orbitale sind kugelförmig, die p-Orbitale hantelförmig, die d & f -Orbitale recht komplex
  • Die Orbitale einer Schale werden zunächst alle einfach und dann doppelt besetzt (Pauli-Prinzip / Verbot).
  • Bindungen entstehen durch Überlappung einfach besetzter Orbitale.

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.

Die Modellart

Das Orbitalmodell ist sehr differenziert und kann viele chemischen Eigenschaften erklären.

Darstellung eines Sauerstoff Atoms mit dem Orbitalmodell

A.Spielhoff, 8 Orbitalmodell, CC BY 4.0

A.Spielhoff, 8-Orbitalmodell,  CC BY SA 4.0

Genauigkeit des Modell am Beispiel eines Autos

L.Ebbersmeyer, Modell 6 (Orbitalmodell), CC BY SA 4.0

L.Ebbersmeyer, Modell 6 (Orbitalmodell), Farbe angepasst von A.Spielhoff,  CC BY SA 4.0

Mit dem Orbital-Modell 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 in den Orbitalen.
  • die chemischen Reaktionen der Atome und die chemischen Bindungen.
  • die räumliche Struktur von Atomen und Molekülen.

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