Kugelwolkenmodell

Das Kugelwolkenmodell (KWM, auch Kimballsches Atommodell und Tetraedermodell) ist ein Atommodell, mit dem sich manche Phänomene – wie beispielsweise die kovalente Bindung oder der Molekülbau – veranschaulichen lassen. Es stellt eine Erweiterung des Bohrschen Atommodells dar und ist eine Vereinfachung gegenüber dem genaueren Orbitalmodell. Das Modell geht unter anderem auf den amerikanischen Quantenchemiker George Elbert Kimball (1906–1967) zurück.

Aus dem Schalenmodell von Bohr übernommen sind die Elektronenschalen, die um den Atomkern angeordnet sind. In jeder Schale sind aufgrund des Pauli-Prinzips jeweils maximal zwei Elektronen in einer Kugelwolke (kugeligen Elektronenwolke) zusammengefasst. Die Elektronenwolke ist als „Aufenthaltsraum“ für die Elektronen zu verstehen, in dem sie sich bewegen.

Je weiter eine Elektronenschale vom Mittelpunkt des Atoms entfernt ist, desto mehr Elektronenwolken können geometrisch um den Kern angeordnet werden. Dementsprechend passen bei wachsender Entfernung immer mehr Elektronenwolken auf eine Schale:

Erste Schale (K-Schale) = 2 Elektronen = 1 Elektronenwolke
Zweite Schale (L-Schale) = 8 Elektronen = 4 Elektronenwolken
Dritte Schale (M-Schale) = 18 Elektronen = 9 Elektronenwolken
Vierte Schale (N-Schale) = 32 Elektronen = 16 Elektronenwolken

Die Anzahl Elektronen, die in der n-ten Schale Platz haben, berechnen sich nach der Formel

Maximale Elektronenanzahl = 2•n².

Allerdings nimmt jede äußere Schale, wie schon im Bohrschen Modell, nicht mehr als 8 Elektronen auf.

Regeln zum Auffüllen der Elektronenwolken

In der ersten Schale gibt es nur eine Kugelwolke, die zentral um den Kern angeordnet ist.
Ab der zweiten Schale werden immer erst 4 Elektronenwolken angelegt, erst in den Nebengruppen werden sie auf die Endzahl erweitert (allerdings spielt das bei der chemischen Bindung keine Rolle)
Jede der vier Elektronenwolken wird aufgrund der Abstoßung der Elektronen zuerst einfach besetzt. Erst ab dem 5. Elektron auf der Schale sind die Elektronen paarweise in den Elektronenwolken verteilt.
Die Elektronenwolken versuchen immer einen möglichst großen Abstand zu erreichen, weshalb sie tetraedrisch angeordnet sind.
Die Besetzung der inneren Schalen wird nicht beachtet, da sie bei der chemischen Bindung keine Rolle spielen.
Die weitere Besetzung der Elektronenwolken und Schalen erfolgt nach dem Madelung-Energieschema.

Beispiele

Wasserstoffatom
Die erste Schale hat nur eine Kugelwolke, die zentrisch um den Kern angeordnet ist.
Sauerstoffatom
In der zweiten Schale gibt es vier Kugelwolken, die beim Sauerstoff zusammen 6 Elektronen aufnehmen müssen.
Chlorwasserstoff
Die Bindung kommt durch Überlappung der einfach besetzten Elektronenwolken vom Wasserstoff und Chlor zustande

Die folgende Grafik stellt in der Valenzstrichschreibweise die Elemente der 2. Periode dar. Vollbesetzte Kugelwolken werden durch einen Strich und halbbesetzte durch einen Punkt dargestellt.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de