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Atommodell

…dass ich erkenne, was die Welt

im Innersten zusammenhält

Goethe

Das Kugelwolkenmodell

 

Oder:   „Wer keine Wahl hat, hat die Qual“

»Ein Wiederbelebungsversuch«

Vorüberlegungen:

Es mag antiquiert anmuten, wenn im Zeitalter der Quantenmechanik, der Computer und Gentechnik so etwas Archaisches wie das Kugelwolkenmodell ausgegraben wird, um jungen Menschen einen Zugang zum theoretischen Verständnis der Chemie zu vermitteln.
Aber aus meiner Unterrichtserfahrung ist das zwischen 1951 und 1959 von dem Amerikaner Kimball entwickelte Kugelwolkenmodell ein brauchbares
und selbst für schwächere Schüler/innen ein gut verständliches Atommodell.

Ein Blick in verschiedene Schulbücher der letzten Jahre zeigt aber, dass es bei den Atommodellen einen Generationswechsel gegeben hat.

Während in der Zeit von 1974 bis 1985 das Kugelwolkenmodell dominierte (siehe Christen 1974, Grothe 1976, Grothe 1982, Franik 1983, Freytag-Glaum 1985) wurde es ab ungefähr 1986 durch das Elektronenschalenmodell verdrängt. (Häusler-Beck 1987, Elemente 1986, Christen 1987, Stoff und Formel 1987, Chemie heute 1988, Chemie heute 1993, Chemie SI 1993)

 

Der Sinn der folgenden Seiten ist also

»dem Vergessen« entgegenzuarbeiten; denn:

„Das Beste am Neuen, ist oft das längst vergessene Alte“

(Russisches Sprichwort)

 

„Wer in der heutigen Zeit meint er (sie) hätte was neues erfunden,
  hat nur noch nicht genug gelesen“

 

Deshalb nun die Literaturangaben:

H. R. Christen, Struktur, Stoff, Reaktion. Diesterweg, Frankfurt/M./Berlin/ München 1974.
K.-H. Grothe, D. Frühauf, M. Jäckel, K.-H. Keßler, W. Knoche, H. Neitzke und
H. Tegen, Chemie heute. Schroedel, Hannover 1976.
K.-H. Grothe, H.-D. Barke, K. Dehnert, M. Jäckel, J. Jaenicke, H. Oehr
und U. Rehbein, Chemie heute. H. Schroedel, Hannover 1982.
R. Franik, Chemie – Sekundarstufe
I N. Bayrischer Schulbuchverlag,
München 1983.
W. Beck und K. Häußler, Chemie für Gymnasien,
Cornelsen-Velhagen &Klasing/R. Oldenbourg, München 1984.
K. Freytag und E. Glaum, Grundzüge der Chemie. Diesterweg, Sauerländer,
Frankfurt/M., Berlin, München, Aarau, Salzburg 1987.
W. Eisner, R. Fladt, P. Gietz, A. Justus, K. Laitenberger und W. Schierle, Elemente, Klett, Stuttgart 1986.
H. R. Christen, Struktur, Stoff, Reaktion – Ausgabe E. Diesterweg, Sauerländer, Frankfurt/M., Berlin, München, Aarau, Salzburg 1987.
W. Fischer, W. Glöckner, M. Köhler-Degner, S. Nöding, M. Tausch
und H. Wolf, Stoff und Formel. C. C. Buchner, Bamberg 1987.
U. Rehbein, A. Schmid, R. Schilte-Coerne und M. Walory, Chemie heute.
Schroedel 1993.

 

Das Kugelwolkenmodell – Ein Modell für das Unsichtbare

Der Brückenschlag zwischen der Stoffebene und der Teilchenebene und die damit verbundenen Modellvorstellungen nehmen in der Chemiedidaktik einen zentralen Punkt ein.

Ein guter und erfolgreicher Unterricht ist auf dem Wechselspiel von Experiment und dessen Deutung begründet und führt zum Verständnis chemischer Phänomene.

Die Einführung und Verwendung verschiedener Atommodelle, die Entwicklung solcher Modelle und der Vergleich ihrer Leistungsfähigkeit ist hierbei sehr hilfreich. Durch die beschränkte Stundenzahl sind in der Unterrichtspraxis jedoch enge Grenzen gesetzt.
Ich sehe deshalb den Stellenwert von Atom- und Bindungsmodellen vielmehr darin, dass sie Werkzeuge darstellen, Hilfsmittel zur Deutung und zum Verständnis von Phänomenen.
(Stichwort: Mathematik und Physik als »Hilfswissenschaften« der Chemie!)

Für Schüler wird durch die Behandlung von Atommodellen eine relativ hohe
Stufe abstrakten Denkens gefordert. Eine große Gefahr besteht darin, dass die Schüler/innen überfordert werden. Diese Überforderung lässt sich aber dadurch vermeiden, dass man verschiedene Modelle einsetzt, die zum einen den jeweiligen Entwicklungsstand der Schüler berücksichtigen, zum anderen aber ausreichen, um die entsprechenden Inhalte auf Teilchenebene
zu erklären.

Durch einen Wechsel der Modelle gelingt es, Inhalte des Chemieunterrichts
didaktisch optimal aufzuarbeiten und gleichzeitig wird dadurch auch
verhindert, dass Schüler/innen Modellvorstellungen mit der Realität gleichsetzen. (Stichwort: »Modellcharakter«)

Als Folge aus dem oben gesagten schlage ich folgenden Unterrichtsgang vor:
Im ersten Unterrichtsjahr das Atommodell nach Dalton, anschließend das Modell nach Rutherford als Übergang zum Kugelwolkenmodell nach Kimball. Dieses ist dann für die weiteren Jahrgänge und bedingt für den Chemieunterricht in der S
II verwendbar.

Wichtig ist hierbei, dass der Übergang von einem Modell zum anderen immer
dann statt findet, wenn das jeweils vorhergehende Modell die Grenzen seiner
Leistungsfähigkeit erreicht hat.

Dieser Gang berücksichtigt einmal die historische Entwicklung des Atommodells und zeigt zum anderen auf, wie wichtig Modellvorstellungen für die Chemie sind.

Das Kugelwolkenmodell als starke Vereinfachung (hier wird nicht zwischen
s-und p-Zuständen unterschieden) des quantenmechanischen Atommodells ist, wie bereits erwähnt, meines Erachtens für die »normale« Unterrichtspraxis ausreichend und kann in der SII gegebenenfalls leicht und ohne großen Aufwand zum Orbitalmodell »ausgebaut« werden.

Die rechnerischen Grundlagen bilden das Coulomb-Gesetz, das Pauli-Prinzip
und die Unschärferelation. Das Modell nimmt für alle Elektronen derselben
Schale gleichartige kugelförmige Wahrscheinlichkeitsräume (Ladungswolken) an. Jede Wolke kann entsprechend dem Pauli-Prinzip mit maximal zwei Elektronen besetzt werden, wobei die Wolken immer eine homogene Ladungsdichte haben.

Die Wolken werden von der positiven Ladung des Kerns angezogen, stoßen sich aber durch ihre negative Ladung gegenseitig ab, so dass sie sich im gegebenen Raum möglichst weit voneinander entfernen. Das erzeugt bei diesem Modell im Falle der nicht kugelsymmetrisch verteilten Ladungswolken den Anschein, dass das Atom ein Dipol-Moment hat. Den Ladungswolken wird jedoch eine Drehbewegung zugeordnet, deren Achse im Raum nicht feststeht. Aus diesem Grunde wirken auch Atome wie Li, Be, B und folgende nach außen wie eine Kugel.

Bis zum Element Calcium kann der Aufbau des Periodensystems erklärt werden. (An dieser Stelle kann man den Schüler/innen die Grenzen des Kugelwolkenmodells aufzeigen und gleichzeitig ist hier ein Ausblick auf die Oberstufe möglich)

Atom-, polare Atombindung, Mehrfachbindungen und Bindungswinkel sowie Ionenbildung und Ionenbindung können erklärt werden.

In der organischen Chemie lassen sich die Struktur der Alkane, Alkene (erweitert als zwei gleichartige »Bananen-Bindungen«) und Alkine erklären.

Wobei hier das für die organische Chemie so wichtige Lernziel, das
"Denken zwischen Struktur und Eigenschafen" bei den Schüler/innen gefördert wird.

Nicht (oder nur schwer) erklärbar ist der Bindungswinkel von 120° im Ethenmolekül sowie die Bindungsverhältnisse im Benzolmolekül.

Auch hier kann man den Schüler/innen, die nur zu leicht Modell und Wirklichkeit verwechseln, den Charakter der Modell-Vorstellung vorführen.

Angeregte (s, p, d, f-) Zustände der Elektronen werden in diesem Modell nicht berücksichtigt. Daher erfordert die Deutung von Erscheinungen, wie z.B. die der Spektren oder die der Bildung der Übergangselemente, die durch das Verhalten von Elektronen in angeregten Zuständen hervorgerufen werden, eine weitere Unterscheidung der Aufenthaltsräume der Elektronen.

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