3D Viewer: Kugelwolkenmodell – Valenzelektronen und Molekülbau
Atomrumpf und Kugelwolken: einfach und doppelt besetzt, Bindigkeit und räumlicher Bau
Wie erklärt das Kugelwolkenmodell den räumlichen Bau der Moleküle?
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Das Kugelwolkenmodell
Atomrumpf und Kugelwolken
Im Kugelwolkenmodell besteht ein Atom aus dem Atomrumpf (Kern und innere Elektronen; er trägt so viele positive Ladungen, wie das Atom Valenzelektronen hat) und den Valenzelektronen, die sich in kugelförmigen Ladungswolken um den Rumpf aufhalten. Eine Kugelwolke ist der Raumbereich, in dem sich ein oder zwei Elektronen mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhalten – keine Bahn und kein Behälter.
Die Modellregeln
Eine Kugelwolke kann höchstens zwei Elektronen aufnehmen.
Die Kugelwolken werden zuerst einzeln besetzt; erst ab dem fünften Valenzelektron entstehen doppelt besetzte Kugelwolken.
Einfach und doppelt besetzte Kugelwolken werden durch Farben unterschieden – hier blau (einfach) und violett (doppelt); im Molekül kommt grün für die bindenden Kugelwolken hinzu.
Die Kugelwolken stoßen einander ab und ordnen sich mit größtmöglichem Abstand um den Rumpf an – vier Kugelwolken zeigen deshalb in die Ecken eines Tetraeders.
Bindigkeit
Die Zahl der einfach besetzten Kugelwolken eines Atoms ist seine Bindigkeit: Kohlenstoff-Atome sind vierbindig, Stickstoff-Atome dreibindig, Sauerstoff-Atome zweibindig, Halogen-Atome einbindig. Edelgas-Atome besitzen nur doppelt besetzte Kugelwolken – sie sind nullbindig und reaktionsträge.
Elektronenpaarbindung
Nähern sich zwei Atome, so verschmelzen zwei einfach besetzte Kugelwolken zu einer gemeinsamen, doppelt besetzten bindenden Kugelwolke zwischen den Rümpfen: Es entsteht eine Elektronenpaarbindung. Die übrigen, nichtbindenden Kugelwolken bleiben bei ihrem Atom. Alle Kugelwolken um einen Rumpf – bindende wie nichtbindende – ordnen sich wieder mit größtmöglichem Abstand an. So erklärt das Modell den räumlichen Bau: Das Methan-Molekül ist tetraedrisch (109,5°), das Ammoniak-Molekül pyramidal (107°), das Wasser-Molekül gewinkelt (104,5°). Dass die gemessenen Winkel bei Ammoniak und Wasser etwas kleiner sind als der Tetraederwinkel, liegt daran, dass nichtbindende Kugelwolken etwas mehr Raum beanspruchen als bindende.
Grenzen des Modells
Das Kugelwolkenmodell beschreibt keine Mehrfachbindungen und unterscheidet nicht zwischen verschiedenen Wolkenformen. Diese Verfeinerung leistet das Orbitalmodell: Wie die Elektronen dort auf s-, p- und d-Orbitale verteilt werden, zeigt der Viewer zur Elektronenkonfiguration; die räumlichen Orbitalformen zeigt der Orbitale-Viewer.
Darstellung: Atomrumpf mit Rumpfladung, Kugelwolken als transparente Kugeln mit Farbkennzeichnung der Besetzung (Elektronen als sehr kleine Kugeln); Elemente H bis Ar (Hauptgruppen); Moleküle mit gemessenen Bindungswinkeln.