Wozu braucht man eigentlich das Orbitalmodell und diesen quantenmist?

11 Antworten

Vom Fragesteller als hilfreich ausgezeichnet

Wie schon mal gesagt, du musst schon etwas Zeit und Mühe investieren.
Ich hab mir das nicht ausgedacht, also weder die Modelle, schon gar nicht das Verhalten der Elektronen.
Da muss jeder durch.

Und wie auch schon mal gesagt, der Chemiker denkt in Orbitalen, und hat deren Form im Kopf.
Such einfach mal nach Bildern im Netz, z.B. mit dem Suchbegrif "d-Orbital".

Genau sowas sehe ich vor meinem inneren Auge, wenn ich von Atomen und Bindungen lese oder schreibe.
Wenn du dazu nicht bereit oder in der Lage bist, wird das nix mit Chemie.

Also will ich dir noch mal die Verbindung zwischen den Zahlen und den Bildern präzisieren:

Die Hauptquantenzahl entspricht der Anzahl der Bereiche der Wellenfunktion. Die Bereiche sind durch Knotenflächen getrennt, auf denen der Wert der Wellenfunktion null ist, das Elektron also nie ist.

An jeder Knotenfläche wechselt das Vorzeichen der Wellenfunktion. Das ist erst mal nicht so wichtig, da deren Quadrat die Aufenthaltswahrscheinlichkeit bestimmt, und das Quadrat einer negativen Zahl ist ja positiv.

Das Vorzeichen wird (viel) später mal wichtig, wenn du π- oder δ-Bindungen hast, da muss zur Überlagerung das Vorzeichen passen.

Und wenn die Hauptquantenzahl die Anzahl der Bereiche angibt, gibt sie um Eins vermindert die Anzahl der Knotenflächen an. Logisch?

Und noch mal zum Nachbeten:

  1. Schale = 1 Bereich = 0 Knotenflächen
  2. Schale = 2 Bereiche = 1 Knotenfläche
  3. Schale = 3 Bereiche = 2 Knotenflächen
  4. Schale = 4 Bereiche = 3 Knotenflächen

Intermezzo: Knotenflächen können 2 Formen haben:

  1. Kugelschalen um den Kern
  2. Ebenen durch den Kern

Kommen wir zu Nebenquantenzahl. Diese entspricht der Anzahl der Knotenebenen.

In der 1. Schale kann es keine Knotenebene geben, weil es keine Knotenflächen gibt.
Daher gibt es nur eine Variante (oder Nebenquantenzahl oder Form), eine kugelförmige, ein sog. s-Orbital.

In der 2. Schale gibt es 2 Moglichkeiten:
Die Fläche ist eine Kugelschale, dann spricht man von einem 2s-Orbital. Das hat innen ein positives Vorzeichen und außen ein negatives, oder umgekehrt.
Rein praktisch macht der innere Bereich aber nicht viel aus, weil er klein ist.
Die Fläche ist eine Ebene durch den Kern. Dann ist es ein p-Orbital.
Dann ist das Orbital hantelörmig, mit positivem Vorzeichen oben, links oder hinten, entsprechend den drei Raumdimensionen.
Deshalb nennt man sie auch px, py und z.

Und damit habe ich die Magnetquantenzahl schon vorweggenommen.
Die entspricht nämlich der Richtung, und tritt deshalb bei s-Orbitalen noch gar nicht auf. Denn es geht um die Richtung der Knotenebenen.
Und rein praktisch sind dann z.B. Dreifachbindungen schon davon "betroffen".
Im Ethin z.B. macht es einen Unterschied, ob die Knotenebene quer zur Verbindungsachse H-C≡C-H geht oder durch diese.

Auf die d-Orbitale gehe ich erst dann ein, wenn du dies verdaut hast.

Und bin versucht zu schreiben:
Ab hier kostet's.

Und verzeih meine Soziale Inkontinenz:

Wenn du Student bist, und eine Frage zur Chemie stellst, dann gehe ich davon aus, dass du Chemie studierst.

Inzwischen weiß ich es besser.
Und du hättest das ja auch mal gleich klarstellen können.

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Ich fände es auch besser, wenn der Lehrer erst mal eine halbe Stunde (bevor es in "medias res" geht) über den Nutzen einer Theorie sprechen würde. Leider "vergessen" manche Lehrer das, was aber nicht wirklich motivierend ist (gilt aber auch für manche Mathe- und Physik-Themen).

Für die meisten Reaktionen braucht man das Orbitalmodell nicht (also eine simple Säure-Base-Reaktion oder eine Redox-Reaktion), aber man kann damit z.B. erklären, wie die geometrischen und räumlichen Verhältnisse an einem C-Atom sind. Zum Beispiel gibt es ja Diamant und Graphit (daneben noch die Buckyballs...).

Im Diamant hat man sp3-hybridisierten C, in Graphit sp2-hybridisierten. Daraus folgen die typischen Eigenschaften dieser Stoffe. Ich weiß nun nicht, ob ihr das schon hattet.

Oder bei Reaktionen am Benzolring (allgemein bei aromatischen Verbindungen). Mit Einzel- und Doppelbindung alleine ist die Beschreibung noch nicht ganz passend.

Bei Nebengruppen-Verbindungen kann man sehr viel mit dem Orbitalmodell erklären (da gibt es dann "Ligandenfeldtheorien", die darauf aufbauen). 

Die Quantenphysik als "Schrott" zu bezeichnen, nur weil du sie nicht verstehst, finde ich etwas sehr heftig (auch wenn ich den Frust nachvollziehen kann, das geht den meisten so, wenn sie sich zum ersten Mal damit auseinandersetzen).

Leider ist das Bohrsche Atommodell in vielen Bereichen eben nicht korrekt bzw. ergibt falsche Vorhersagen und Beschreibungen. Ausserdem beruht es auf fragwürdigen Annahmen. Deshalb braucht man ein besseres Modell, das die Quantenphysik mit dem Orbitalmodell liefert. Fändest du es wirklich besser, wenn dir in der Schule das Bohrsche Modell als das beste verkauft würde und du hinterher im Studium völlig unerwartet erfährst, dass da ziemlich viel gar nicht passt? Und glaub mir: Atomphysiker und Chemiker interessiert sehr viel mehr als nur die Anzahl Valenzelektronen.

ähm genau das ist aktuell der Fall..ich hatte Chemie bis zum Abi, die Orbitaltheorie hatten wir einmal in der 8. angekratzt und das war es, seitdem habe ich nichts mehr davon gehört und es hat auch niemanden gekümmert.

Jetzt sitze ich mit dem Mortimer vor dem Skript unseres Profs und verstehe zu weiten Teilen nur Bahnhof, irgendwie haben wir Schalen, die es dann aber doch nicht gibt und in diesen Schalen haben wir Orbitale und die Zahlen der nicht existenten Schalen ersetzen wir auch noch durch Buchstaben, damit man völlig den Zusammenhang zwischen den einzelnen Quantenzahlen übersieht.

Und nicht zu vergessen die Berechnung der Wellenlänge, die ich eigentlich nur mal kurz in der Physik als Erklärung für die Brechung von Licht gehört habe und auf einmal wird aus dieser relativ leichten Gleichung ein Komplex den ich überhaupt nicht mehr durchschaue...

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@Frage76mal6

Ein einfaches -nicht ganz wissenschaftliches - Beispiel aus der Biologie:

Das Bor-Modell liefert immer eine klare WENN-DANN Aussage. Das macht es uns natürlich einfach.

Nach diesem Modell wäre das Verhalten von Atomen aber völlig "Fehlerlos" und nicht nur zu 100% voraussagbar sondern würde auch zu 100% genau so zutreffen.

Mutationen bei Genen bzw. in der DNA wären damit aber (nahezu) ausgeschlossen.

Diese "Zufällige" Veränderung in den Genen kann das Bor-Modell nur in wenigen Fällen hinreichend erklären.

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@SixthSCTF

Mutationen entstehen auf völlig unterschiedlichen Wegen, der einfachste Weg ist die Genmutation, da war halt mal eine Base am falschen Platz und die Ligase hat halt den Rest des Nukleotids einfach an die anderen angefügt, Riobose und Phosphat bleiben ja unabhängig von de Base noch immer Ribose und Phosphat.

Bei der Chromosomenmutation ist halt ein Bereich entweder abgerissen und falsch gekittet worden, oder geknickt, das kann schon mal vorkommen wenn du eine der längsten Verbindungen auf kleinsten Raum komprimierst

Bei der Genmutation wurde halt was zu oft kopiert

(ganz grobe Zusammenfassung der Mutation um zu zeigen, dass diese aus meiner Sicht nicht Grenzfälle des bohrschen Modells sind)

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@Frage76mal6

Wie gesagt, ich kann dich irgendwo verstehen. Trotzdem wird insbesondere von Naturwissenschaftlern nun mal erwartet, dass sie nicht nur knapp ihr Fachgebiet überblicken, sondern auch ein grundlegendes Verständnis der damit verwandten und verbundenen Gebiete haben.

Biologie ist nun mal mit Physik und Chemie sehr stark verknüpft und kann nicht losgelöst davon betrachtet werden. Und zur Chemie und auch zur Physik gehört nun mal zwangsläufig die Quantentheorie.

Wenn es dich tröstet: Ich studiere Rechnergestützte Wissenschaften mit Fokus auf Robotik. Quantenphysik für Chemiker war ein Pflichtfach für mich, obwohl die Wahrscheinlichkeit, dass ich mich je wieder mit Kernspineffekten und der Hyperfeinstruktur von Atomen auseinandersetzen werde, nun wirklich gering ist. Ein breites Wissen gehört schlicht dazu und ist immer von Vorteil, selbst wenn man das nicht sofort einsieht. Quantenphysik kann übrigens, wenn man sich mal eingearbeitet hat, sehr schön sein - finde ich zumindest.

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