Anregungen und Kommentare bitte an kluef@cup.uni-muenchen.de.
Zu prüfen: was genau soll eigentlich vermittelt werden, wenn Struktur und Bindung (die Zweiatomigkeit, die Spinzustände im Grund- und im Singulettsauerstoffzustand, die Bindungsordnung) den Stoffeigenschaften (die erhöhte die Reaktivität in Radikalreaktionen, die verminderte Reaktivität in Nicht-Radikalreaktionen, die Reduzierbarkeit zu Superoxid, Peroxid und Oxid) gegenübergestellt wird?
Wir machen uns klar, dass das Kugelwolkenmodell (CHEMKON 2016, 23, 59–63) wie auch das nah verwandte VSEPR-Modell von einer vollständigen Hybridisierung von s- und p-Orbitalen ausgehen. Mal klappt das (Erklärung der Eigenschaften von Wasser oder Ammoniak), mal nicht (die Chemie der Elemente ab der dritten Periode; oder eben auch bei O2).
Die folgenden Begriffe beschreiben einen Weg vom Atombau zur kovalenten Bindung (Elektronenpaarbindung, Atombindung). Ziel ist ein offenes Modell, dass eine echte Teilmenge einer umfassenden Beschreibung darstellt. Eine solches „korrektes“ Modell (vulgo: die Wahrheit) lässt sich durch Ergänzungen immer weiter ausbauen, ohne dass Einzelaspekte zurückgenommen werden müssen. Im Mittelpunkt steht – im Einklang mit dem Stand der Computerchemie – die Oktettregel, die konsequent angewendet wird, und die Energie der beteiligten Atomorbitale. Stark beschnitten wird das VSEPR-Modell, das Oktettüberschreitung zulässt und nicht zwischen s- und p-Orbitalen unterscheidet.
Die Bausteine im Einzelnen:
Nachdem aus den stöchiometrische Gesetzen ein Atombegriff abgeleitet wurde (Atome als massebehaftete kleinste Teilchen chemischer Elemente), zeigen Linienspektren die Notwendigkeit, die Energie von Elektronen durch Quantenzahlen darzustellen.
Die Bohrsche Formel zeigt das Prinzip: es gelingt durch 1 Quantenzahl, der Hauptquantenzahl, die Balmer-Serie in ein Schema elektronischer Energien zu übertragen (später: Orbitalenergien).
Mehrelektronen-Atome benötigen insgesamt 4 Quantenzahlen, wobei die Hauptquantenzahl, die Nebenquantenzahl und die Orientierungsquantenzahl durch eine hierarchische Ordnung miteinander verbunden sind.
Eine gegebene Kombination dieser drei Quantenzahlen definiert ein Orbital, in das bis zu zwei Elektronen mit unterschiedlicher Spinquantenzahl eingefüllt werden können.
Unter Beachtung der energetischen Abfolge der Orbitale lässt sich durch das Aufbauprinzip das Periodensystem der Elemente ableiten.
Die Orbitale entsprechen dreidimensionalen stehenden Wellen, deren Eigenschaften sich aus niederdimensionalen Analoga erschließt: die Knotenebenen aus eindimensional stehenden Wellen (Violinsaite), und das Verhalten bei der Überlagerung („Orbitalüberlappung“) aus dem Verhalten zweidimensionaler fortschreitender Wellen (Wellenmuster auf Wasser).
Ein einfacher Fall wie die Valenzschale des Neons zeigt das Prinzip der Zunahme an Knotenebenen mit zunehmender Energie (abnehmender Stabilität).
Die Bedeutung der Valenzschale selbst ergibt sich aus den Orbitalenergien, die mit messbaren Größen wie den Ionisierungsenergien, der Elektronenaffinität und der Elektronegativität verbunden ist. Auch die Oktettregel ergibt sich an diesem Punkt.
Die kovalente Bindung wird durch die Überlagerung von Atomorbitalen eingeführt.
Lewis-Formeln, bei denen die Oktettregel eingehalten wird, sind ein adäquates Mittel, um ein Molekül zu beschreiben.
Molekülorbitale und lokalisierte Bindungen sind äquivalente Beschreibungen des Bindungszustands eines Moleküls.
Auch O2 lässt sich nun adäquat beschreiben (MO und Paulings Dreielektronenformel).
Stellungnahme der Konferenz der Fachbereiche Chemie zum Abiturwissen (auf Stellungnahmen klicken und dann sieht man es).
Hier demnächst erst mehr.
Das Beispielthema wird in der Chemischen Grundvorlesung an der LMU München in den Kapiteln 4 und 16 behandelt. Die vollständige Vorlesung liegt als Internet-Skript vor.
O2 in einer computerchemischen Behandlung: hier gibt es mehr gegen Ende 2016.