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Orbitaltheorie
Orbitaltheorie: Orbitale, Hybridisierung, Molekülorbitale, Mesomerie — mit interaktiven Werkzeugen und Übungsaufgaben zu jedem Teilbereich.
Vom Schalenmodell zum Orbital
Das Schalenmodell sagt, wie viele Elektronen auf eine Energiestufe passen — aber nicht, wo sie sind. Das Orbitalmodell beantwortet das anders, als man erwartet: Es gibt keine Bahn, sondern nur einen Raum, in dem sich das Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält. Jedes Orbital fasst zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin, und die Formen s, p und d bestimmen den Bau der Moleküle.
Kugelwolkenmodell – Valenzelektronen und Molekülbau
Elektronenkonfiguration – Kästchenschema und Orbitale
Der erste 3D Viewer zeigt das Kugelwolkenmodell als Zwischenschritt, der zweite die Orbitale neben dem Kästchenschema.
1 Übungsaufgabe
Was ein Orbital ist
Elektronenkonfiguration im Kästchenschema
Im Kästchenschema bekommt jedes Orbital ein Kästchen und jedes Elektron einen Pfeil. Drei Regeln füllen es: energetisch tiefste Orbitale zuerst, gleichwertige Orbitale erst einfach besetzen, und zwei Elektronen in einem Kästchen nur mit entgegengesetztem Spin. Daraus liest man ab, wie viele ungepaarte Elektronen ein Atom hat — und damit seine Bindigkeit.
Elektronenkonfiguration von Atomen und Ionen – Energiestufenmodell und Schalenmodell
Informationen zur Elektronenkonfiguration im PSE finden
Periodensystem der Elektronenkonfigurationen
Mit den ersten beiden Tools erstellst du Elektronenkonfigurationen selbst und findest sie im Periodensystem wieder. Das dritte zeigt dir das Kästchenschema zu jedem Element — vollständig bis Xenon, darüber ab dem Edelgasrumpf.
Hybridorbitale
Kohlenstoff hat im Grundzustand nur zwei ungepaarte Elektronen — trotzdem bildet er vier gleichwertige Bindungen. Die Erklärung sind Hybridorbitale: s- und p-Orbitale mischen sich zu neuen, gleichwertigen. Aus sp³ folgt der Tetraeder des Methans, aus sp² die ebene Anordnung am Alken, aus sp die lineare am Alkin.
Atomorbitale und Hybridorbitale
Der 3D Viewer zeigt dir die Hybridorbitale von allen Seiten.
Molekülorbitale
Treffen zwei Atomorbitale aufeinander, entstehen zwei Molekülorbitale: ein bindendes mit niedrigerer Energie und ein antibindendes mit höherer. Sind nur die bindenden besetzt, hält die Bindung; besetzt man auch die antibindenden, hebt sich der Effekt auf. Damit lässt sich vorhersagen, welche Moleküle es gibt — und warum es He₂ nicht gibt.
Molekülorbitale – bindend und antibindend
Elektronendichteänderung – Bindungsbildung sichtbar gemacht
Der erste 3D Viewer zeigt bindende und antibindende Orbitale, der zweite die Änderung der Elektronendichte beim Zustandekommen einer Bindung.
1 Übungsaufgabe
Bindend und antibindend
Mesomerie
Manche Moleküle und Ionen lassen sich mit einer einzigen Valenzstrichformel nicht richtig beschreiben. Der tatsächliche Zustand liegt zwischen mehreren Grenzformeln — die Elektronen sind über mehrere Atome verteilt statt an einer Stelle festgelegt. Das senkt die Energie und stabilisiert das Teilchen.
Genau das erklärt, warum eine Carbonsäure sauer ist und ein Alkanol nicht: Das zurückbleibende Carboxylat-Ion ist mesomeriestabilisiert.
Mesomerie – Grenzformeln und tatsächliche Elektronenverteilung
Der 3D Viewer stellt Grenzformeln und die tatsächliche Elektronenverteilung nebeneinander.
4 Übungsaufgaben
Grenzformeln und tatsächliche Verteilung
Mesomerie erklärt die Acidität
Elektronendichte sichtbar gemacht
Alle Modelle bis hierher sind Zeichnungen. Die Elektronendichte lässt sich aber auch berechnen und farbig darstellen: Rote Bereiche sind elektronenreich, blaue elektronenarm. Damit wird auf einen Blick sichtbar, wo ein Molekül angegriffen wird und warum ein Dipol ein Dipol ist.
3D Molekülviewer – Ladungscodierte Elektronendichteoberfläche
2D-Karten – Elektronendichte und elektrostatisches Potential
Die beiden 3D Viewer zeigen die Ladungsverteilung als Oberfläche und als Schnittkarte. Übungsaufgaben gibt es zu diesem Abschnitt bisher keine.