Ich möchte an dieser Stelle noch einmal den "roten Faden" dieser Unterichtseinheit "Aufbau der Materie" vor Augen führen. Die zentrale Fragestellung ist nach wie vor, wie und warum sich Atome binden und somit hochkomplexe Makromoleküle wie Kohlenhydrate oder Eiweißstoffe entstehen können, deren Geometrie und Zusammensetzung deren biologische Funktionen beeinflussen. Wir haben diesbezüglich einige Atommodelle auf deren Qualität hinsichtlich unserer Fragestellung untersucht:

Das Schalenmodell erklärt vor allem nicht, wie Elektronenpaarbindungen (Atombindungen, kovalente Bindungen) zustande kommen können, wenn Elektronen sich mit hoher Geschwindigkeit um den Kern bewegen. Auch die Geometrie eines Moleküls ist mit diesem Modell nicht erklärbar.

Die Geometrie eines Moleküls wird hingegen vom Kugelwolkenmodell schon besser verdeutlicht.

Die Orbitaltheorie kann mit Hilfe der Kästchenschreibweise schon recht konkret für viele Moleküle die Bindungen erklären. Folgende Beispiele sollen dies verdeutlichen:

Ein Wasserstoff-Molekül:

Ein Wasserstoff-Atom besitzt ein Elektron im 1s-Orbital. Überlappen sich zwei Wasserstoff-Atome mit ihren 1s-Orbitalen, so erhält man ein Bindungsorbital (Molekülorbital) mit zwei Elektronen.

   

 

Doch wie sieht es bei komplizierteren Molekülen aus?

 

Zum Beispiel beim Sauerstoff-Molekül:

Ein s-Orbital und ein p-Orbital sind voll besetzt. Dies könnten die freien, nicht bindenden Elektronenpaare beim Sauerstoff-Molekül sein. Die zwei einfach besetzten p-Orbitale könnten die Doppelbindung erklären. 

Allerdings wird gerade beim Sauerstoff-Molekül schon deutlich, das wir mit dem Modell noch nicht wirklich zufrieden sein können. Nach dem Kästchenmodell sind zwei p-Orbitale einfach besetzt und könnten demzufolge zum Aufbau von Bindungen bereit stehen. Sauerstoff ist ja auch in der Regel 2-bindig. Doch was ist mit den beiden anderen, nicht bindenden Elektronenpaaren? Ein Elektronenpaar befindet sich in einem 2p-Orbital, das andere Elektronenpaar iin einem 2s-Orbital. Wieso sollten die beiden nichtbindenden Elektronenpaare eines Sauerstoff-Atoms in unterschiedlichen Energieniveaus liegen?