Das Kugelwolkenmodell ist eigentlich kein "richtiges" Atommodell. Es stellt eine starke Vereinfachung des Orbitalmodells dar, das eine Weiterentwicklung des Schalenmodells von Bohr ist. Aber dazu kommen wir später.
Das Kugelwolkenmodell wurde ursprünglich 1956 von dem amerikanischen Chemieprofessor Kimball entwickelt, 1963 wurde es dann von Kent in seine endgültige Form gebracht. Der deutsche Chemiker und Lehrbuchautor Christen hat das Kugelwolkenmodell dann um 1972 in den deutschen Sprachraum eingeführt.
"Nachteilig waren ... die geringe Anschaulichkeit des Orbitalmodells und die damit verbundenen Lernschwierigkeiten bei den Studenten. Aus diesen Gründen war Kimball bestrebt, ein weniger rechenaufwendiges Atommodell zu entwickeln, das trotz Vereinfachung gute Ergebnisse bei Molekülberechnungen hervorbringt." [1]
Allerdings lässt die Beliebtheit des Kugelwolkenmodells in deutschen Schulbüchern zu wünschen übrig, die meisten Bücher erklären chemische Vorgänge immer noch mit dem Schalenmodell. Für einfache Redoxreaktionen, Säure-Base-Reaktionen etc. ist das Schalenmodell ja auch völlig ausreichend. Aber wenn es um die Frage geht, wieso das Methan-Molekül eine Tetraederform hat oder - etwas anspruchsvoller - wieso die instabile Verbindung Borhydrid BH3 eine Lewis-Säure ist, die mit Ammoniak zu H3B-NH3 reagiert, dann versagt das Schalenmodell.
Ich möchte hier nicht alles wiederholen, was ich bereits auf den Seiten für die Stufen 9/10 über das Kugelwolkenmodell geschrieben habe. Wenn Sie sich mit diesem Atommodell noch nicht auskennen, sollten Sie sich die entsprechende Seite gründlich durchlesen.
Wir wollen nun die Aussagen des Kugelwolkenmodells kurz zusammenfassen:
Das Kugelwolken-Modell
- Die Aussagen des Schalenmodells werden komplett übernommen, allerdings
- besteht jede Schale aus vier Kugelwolken, die jeweils zwei Elektronen fassen. Die K-Schale besitzt nur eine Kugelwolke mit maximal zwei Elektronen.
Kommen wir zurück zum Borhydrid BH3, das spontan zu H3B-BH3 dimerisiert, was energetisch stabilier ist. Wieso kann man BH3 als Lewis-Säure bezeichnen? Definitionsgemäß sind Lewis-Säuren Verbindungen mit einer leeren Kugelwolke, die ein freies Elektronenpaar einer Lewis-Base aufnehmen kann. Ammoniak ist eine solche Lewis-Base, denn das Stickstoff-Atom besitzt ein freies Elektronenpaar. Die Kugelwolke des N-Atoms mit dem freien Elektronenpaar vereinigt sich nun mit der leeren Kugelwolke des B-Atoms, und schon haben wir eine polare kovalente Bindung B-N.
Quellen:
- "Das Kugelwolkenmodell" von Prof. Dr. Alfred Flint, Universität Rostock.
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