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Dipl.-Ing. Johann Kern, Stuttgart

Anschauliches Modellieren der chemischen
Eigenschaften der Atome und Molekle

Es wird das neue Atommodell, da in [1] nur schematisch dargestellt ist, weiter entwickelt. Es wird gezeigt, da wenn Elementarteilchen nicht in Form von Kgelchen, sondern in Form von Ringen dargestellt werden, kann man viele, darunter auch bis jetzt praktisch nicht erklrbare, chemische Eigenschaften der Atome und Molekle folgerichtig modellieren. Die Begriffe der chemischen Valenz oder Passivitt werden anschaulich und physikalisch klar definiert.

Einfhrung.

berlegungen, die Dmitrij Mendelejew (1834-1907) bei der Vorstellung seiner Periodensystem der chemischen Elemente angefhrt hat, wrde man heute wahrscheinlich als spekulative bezeichnen. Der eigentliche Wert der Periode (Anzahl der Elemente in einer Periode) ist bis jetzt eindeutig nicht festgelegt. Die Verletzung der festgelegten Anzahl der Elementen in einer Periode fngt schon in erster Periode an: sie enthlt nur 2 Elemente. Fr die Wissenschaftler, die meinen, dass die Periode je 8 Elementen enthalten soll, sind die zweite und dritte Periode vollzhlig, fr die anderen ghnt auch in der 2. und 3. Periode immer noch ein gewaltiges Loch. Und das ist noch weit nicht alles, was man bemngeln knnte. Man mu schon sehr nachlssig sein, um das System als Periodensystem zu bezeichnen. Und doch ist es weltweit anerkannt und ntzlich.

Auch die Gleichungen von Maxwell (1831-1879) sind auf sehr ungewhnliche Weise entstanden, heutzutage htte er sehr groe Schwierigkeiten gehabt sie in einer wissenschaftlichen Zeitschrift zu verffentlichen. Man will seine Nachweismethode bis heute nicht anerkennen, seine berlegungen bezeichnet man bis heute als nicht nachgewiesene: Maxwells Vermutungen, die er 1864 nur spekulativ uern konnte, zhlen heute zum Bestand gesicherter physikalischer Erkenntnisse [2]. Nicht alle waren so penibel. Die Eleganz von Maxwells Gleichungen begeisterte Ludwig Boltzmann(1844-1906) zu dem Ausruf: War es ein Gott, der diese Zeichen schrieb...? [3]. Allerdings sagte er dies schon nach dem, als Heinrich Hertz (1857-1894) seine Versuche durchgefhrt hat. Auch Maxwells Gleichungen sind jetzt weltweit anerkannt, aber vielleicht nur dank H. Hertz, der in der Arbeit von Maxwell (22 Jahren nach der Verffentlichung!) die Mglichkeit der Fernbertragung der elektromagnetischen Energie entdeckt hat.

Auch berlegungen Kopernikus (1473-1543), die nachweisen sollten, dass die Sonne das Zentrum des Universums ist, wrde man heute nicht anders, als spekulativ bezeichnen: Seine Berechnungen lieferten sehr ungenaue Ergebnisse in Vergleich mit Berechnungen nach dem damals anerkanntem heliozentrischem System. Um die Richtigkeit seines Systems ganz streng zu beweisen, waren noch mehr als hundert Jahren und die Ergebnisse von Kepler (1571-1630) und Newton (1643-1727) notwendig.

Hier weiter werden spekulative berlegungen angefhrt, die die Welt der Atome und Molekle sehr anschaulich und viel verstndlicher machen knnen. Strenger Nachweis dieser berlegungen wrde eine Arbeit von vielen Monaten wenn nicht von vielen Jahren eines betrchtlichen Forscherteams verlangen.

 

1. Ein anschaulich passives He-Atommodell

Die in [1] gemachte Annahme, da die Anziehungskraft zwischen Atomkern und Elektron bei immer kleiner werdendem Abstand zwischen ihnen in eine Abstoungskraft bergeht, erlaubte einige physikalische Eigenschaften glaubhafter darzustellen. In diesem Beitrag wird versucht das in [1] dargestellte Atommodell weiter zu entwickeln und damit den chemischen Eigenschaften anzupassen.

Nach der Annahme in [1] mu das He-Atom (Heliumatommodell), so aussehen, wie es in der Abb. 1.1 gezeigt ist. Es besteht aus einem positiv geladenen Atomkern (groe Kugel) und zwei negativ geladenen Elektronen (kleine Kgelchen). Rein schematisch ist das Atomkern als ein greres Kgelchen gezeigt, als die Elektronen, weil es viel (in etwa 7000 mal) schwerer ist. Die beidseitige Pfeile sollen zeigen, da das Elektron um sein Gleichgewichtspunkt schwingen kann.

Abb. 1.1. Das Helium-Atommodell entsprechend dem Beitrag [1]

Man weis, da das Helium-Atom keine chemische Verbindungen eingeht. Man kann sich aber nach dem Modell in der Abb. 1.1 vorstellen, da eins der Elektronen des He-Atoms von dem Atomkern des anderen He-Atoms angezogen wird und auf diese Weise eine (chemische) Bindung entsteht (Abb. 1.2).

Abb. 1.2. Das Helium-Atommodell, da dem Beitrag [1] entspricht, ist nicht chemisch passiv

Solches ist aber nicht bekannt. Darum mu man vermuten, da das He-Atom, damit es keine Bindungen eingehen kann, anders aussehen mu. Sicher, man knnte etwas hnliches sagen, wie es in der Quantenphysik gesagt wird, da die Elektronen-Schale des He-Atoms mit zwei Elektronen schon voll ist und darum Helium keine Bindungen eingehen kann. Solche (Zauber-)Sprche mchte man aber meiden. Das passive chemische Verhalten mu aus dem He-Atommodell selbst folgen, aus seiner Beschaffenheit, nicht aber aus einem Spruch. Dies kann man erreichen, wenn man annimmt, da Elektronen und Atomkerne keine Pnktchen (Kgelchen), sondern Ringe (Toruse) darstellen. (Ein Torus hat einen kleinen und einen groen Radius. Weiter wird der Krze halber der groe Radius nur als Radius genannt. Wenn es um den kleinen Radius geht, wird das Wort Dicke verwendet, unter der der kleine Durchmesser des Torus gemeint wird). Wenn der Elektronring und der Atomkernring des Heliums ungefhr den gleichen Radius haben, dann wird das He-Atom ungefhr so aussehen, wie in der Abb. 1.3 gezeigt ist.

Die zwei Elektronringe befinden sich von beiden Seiten des Atomkernrings in einem gewissen Abstand von ihm. (Elementarteilchen stellen viele

Forscher als (Wirbel)Ringe vor, als Beispiel kann man das Buch von K. Meyl [4] erwhnen.) Die zwei dnne Ringe sollen Elektronen, der dicke Ring den He-Atomkern darstellen. (Die Zeichnung hat keinen naturgetreuen Mastab. Die groe Durchmesser der Ringe mssen im Vergleich mit dem Abstand zwischen ihnen viel grer sein.) Die Ringe befinden sich in Gleichgewichtslage. Bei grerem Abstand von dem Atomkernring werden sie angezogen, bei kleinerem - abgestoen.

Jeder kann sich berzeugen, da das He- Atommodell nach der Abb. 1.3 mit

Abb. 1.3. Das Helium-Atommodell

beschriebenen Eigenschaften weitgehend chemisch passiv sein mu. Das bedeutet - es kann sich einem anderen Atom oder Molekl nicht anschlieen. Wenn man versuchen wird zwei He-Atome nach der Abb. 1.4. in Kontakt zu bringen, kann man sehen, da die

Abb. 1.4. Die mgliche Verbindung zwischen zwei Helium-Atommodellen ist sehr schwach. Sie befindet sich kraftmig weit unter der Kraft einer chemischen Verbindung. Aber sie ist ausreichend stark, um bei sehr niedriger Temperatur aus den Helium-Atomen eine Flssigkeit zu bilden.

Anziehungskraft eines Elektrons zu seinem eigenen Atomkernring in jeder Lage unvergleichlich grer sein wird, als zum Atomkernring eines benachbarten Atoms. Eine ausreichend starke Bindung zwischen zwei He-Atomen, die man als chemische Bindung bezeichnen knnte, kann es nicht geben. Das He-Atommodell, wie man weiter aus den anschaulichen Darstellungen der Atommodelle sehen kann, ist das passivste unter allen Atomen. Da man aus den frheren Darstellungen der Atome die Passivitt des Heliums sehen kann, kann keiner behaupten. Dort mute man einfach glauben, da die zwei Elektronen des Helium-Atoms eine volle Schale bilden und da dies die chemische Passivitt bedeutet.

Anmerkung ber die bereinstimmung des Ringen-Modells mit bekannten experimentellen Daten

In [1] wurde schon angedeutet, da Rutherford nicht alle Mglichkeiten bercksichtigt hat, als er behauptete (im Widerspruch mit Experimenten von Hertz und den Gleichungen von Maxwell), da man zwingend annehmen mu, da das Elektron um das Atomkern kreist und dabei keine Energie ausstrahlt. Als er feststellte, da das Atomkern und das Elektron einen sehr kleinen Volumen des Atomvolumen einnehmen, nahm er ohne jede Diskussion an, da sie beide die Form eines Kgelchen haben. Sicher, er folgte dabei einer sehr langen Tradition: Wenn man nicht weis, wie etwas kleines aussieht, vermutet man, da es die Form eines Kgelchen hat. In seiner Situation htte wahrscheinlich jeder das gleiche gemacht. Man mu hier nur bemerken, da diese Form kein zwingendes Ergebnis seiner Experimente war.

Der Einfangsquerschnitt der Elektronen ndert sich in der Luft von 3.10-20 m² bis 3.10-26 m² bei nderung des elektrischen Potentials von 300 V bis 660 kV [5]. Das bedeutet, da bei chemischen Reaktionen, die im Bereich von nur paar eV liegen, das Betrachten der Elektronen als Kgelchen mit einem Radius von r = 1,41.10-15 m (also Querschnitt in etwa 6.10-30 m²) total falsch sein kann. Die Darstellung der Elektronen als Ringe widerspricht aus dieser Sicht der Realitt nicht, sondern kommt ihr nher.

Langsame Neutronen haben einen Einfangsquerschnitt, der 105 grer ist, als der angenommene geometrische Querschnitt [6]. Also auch hier haben langsame Elementarteilchen (Neutronen) einen greren (Einfangs-)Querschnitt, als die schnelleren. Wenn man die Elementarteilchen als Kgelchen darstellt, sind dieseTatsachen nur schwer erklrbar.

Wenn man sie aber als Ringe darstellt, kann man dieses Ergebnis leichter begreifen. Nach unserem Modell mssen Alfa-Teilchen auch Ringe darstellen. Stellen wir uns vor, da Alfa-Teilchen mit ihrer Ringebene aus einem Alfa-Strahler nur parallel der Geschwindigkeitsrichtung rausfliegen. Man kann sich noch vorstellen, da dieser Ring um seine Rotationssymmetrieachse sehr schnell rotiert. Wir wissen, da so ein Ring die Richtung seiner Drehbewegung sehr gut beibehalten kann. Die Atomkernringe der Goldfolie, weil sie vom Ring des Alfa-Teilchen abgestoen werden, knnen am besten dem Zusammensto ausweichen, indem sie eine Position parallel dem Ring des anfliegendem Alfa-Teilchen einnehmen. Sie lassen also da Alfa-Teilchen passieren. Auerdem, kann man sich vorstellen, da einer der Ringe durch den anderen durchfliegen kann, indem sich einer wegen der entstehenden Abstoungskrfte ein bischen dehnt und der andere sich entsprechend ein bischen zusammenzieht. Ein unausweichlicher Zusammensto passiert nur dann, wenn der Atomkernring der Zielfolie (Targetfolie) genau parallel dem Ring des Alfa-Teilchens ist und genau im Wege steht. Wenn man dies alles bercksichtigt, kann man verstehen, da ein Zusammensto in unserem Fall genau so selten sein kann, wie in dem Fall, wenn beide Teilchen kleine Kgelchen darstellen: der Querschnitt des Teilchens wird uns sehr klein zu sein scheinen. Andererseits, bei kleiner Geschwindigkeit wird die Energie des Teilchens schnell verbraucht und sein Querschnitt wird pltzlich unvergleichlich gro erscheinen.

2. Das Modell des Wasserstoffatoms.

Wenn man jetzt auf hnliche Weise das H-Atommodell in Form von zwei Ringen mit gleichen Durchmessern, einem dnnen Elektronring und einem dickeren Atomkernring (Abb. 2.1) darzustellen versucht, dann wird man damit keinen Erfolg haben.

Abb. 2.1. Entsprechend der Abb. 1.3 knnte das H-Atommodell so aussehen.

Ein H-Atom nach der Abb. 2.1 kann eine unendliche Reihe mit anderen solchen H-Atommodellen bilden (Abb. 2.2), weil ein dnner Ring (ein negativ geladenes Elektron)

Abb. 2.2. Ein solches Wasserstoffatommodell knnte eine unendliche Kette aus Atomen bilden. Das Atommodell ist falsch.

immer von einem dicken Ring (einem positiv geladenem Atomkern) angezogen wird. Eine unendliche Kette aus Wasserstoffatomen ist keinem bekannt, sie entspricht der Wirklichkeit nicht. Also ist dieses Modell falsch. Man mchte sich aber so leicht von einer so schner Idee, die uns die greifbare Passivitt des He-Atommodells gegeben hat, nicht absagen. Man kann feststellen, da um ein natrlicheres H-Atommodell aufzubauen zu knnen, mu der Radius des Proton-Rings (ungefhr) zwei mal kleiner, als der Radius des Elektron-Rings sein.

Abb. 2.3. H-Atommodell

In diesem Fall wird ein H-Atommodell wie in der Abb. 2.3 aussehen. Der dicke kleine Ring - das Proton - befindet sich innerhalb des dnnen groen Ringes - dem Elektron, aber nicht ganz im Zentrum, sondern mehr an der Peripherie. Nur in diesem Fall wird das Modell des H2-Molekls energetisch gesehen glaubhaft, weil auch in ihm nur ein Teil des Protonrings mit einem Teil des Elektronrings sich binden mu. Das H2-Molekl besteht aus zwei dnnen Ringen (zwei Elektronen), und zwei kleineren dicken Ringen (zwei Protonen). Es kann so aussehen, wie in der Abb. 2.4 gezeigt ist. Das Modell ist symmetrisch, alle Ringe sind im stabilen Gleichgewicht. Wie jede stabile Molekl-Konstruktion ist sie ausreichend chemisch passiv, wie es einem Molekl auch gehrt, aber weniger passiv, als das He-Atom.

Abb. 2.4. Das Modell des H2-Molekls

Gerade die ausreichende chemische Passivitt des H2-Molekls stellt einige Bedingungen zur Gre des Radius des Protons. Damit das H-Atommodell keinen H-Polymer (Abb. 2.2) bilden kann, wre schon ausreichend, wenn der Radius des Protonrings nur ein bichen kleiner wre, als der Radius des Elektronrings. Damit aber auch das H2-Molekl ausreichend passiv sein wird, mu der Radius des Protonrings noch kleiner werden.

Man mu gar nicht anstreben, da zwischen H2-Moleklen in jeder Lage es nur Abstoungskrfte gibt. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen wird Wasserstoff sich verflssigen, und bei noch niedrigeren Temperaturen gefriert er. Das bedeutet, da es Lagen geben mu, in welchen H2-Molekle sich miteinander mit kleiner Kraft, aber immerhin verbinden. Und alle diese Krfte und Zustnde mssen bei der Berechnung des Protonringradius bercksichtigt werden. Dies aber ist nicht das Ziel dieser Arbeit, darum wird weiter angenommen, da der Protonringradius ungefhr der Hlfte des Elektronringradius entspricht, ohne zu versuchen ihn genauer zu bestimmen.

3. Modelle des Kohlenstoffs und des Methans

Das sechste Atom - der Kohlenstoff - hat sechs Elektronen, von ihnen vier Valenzelektronen. Man kann davon ausgehen, da die erste zwei Elektronen die gleiche Lage haben, wie bei Helium. Auch den Durchmesser des Atomkernrings kann man wie bei Helium annehmen. Die Lage der Valenzelektronen ist davon abhngig, wie weit die zwei erste Elektronen sich vom Atomkernring befinden. Wenn sie sehr nah zum Atomkernring sind, dann werden die anderen Elektronringe seitlich zum Atomkernring angezogen. Wenn sie aber ziemlich weit vom Atomkernring sind, dann kann das Kohlenstoffatom (C-Atom) so aussehen, wie in der Abb. 3. 1 gezeigt ist. Die zwei erste Elektronenringe sind symmetrisch und parallel zum Atomkernring plaziert, die anderen vier sind senkrecht zu ihm. Diese Lage der Valenzelektronenringe ist viel bequemer fr die Darstellung der chemischen Eigenschaften

Abb. 3.1. Modell des Kohlenstoffatoms

des C-Atoms (Es ist gemeint, da man sich auch andere logische Lagen der Elektronen vorstellen kann). Das dargestellte Modell des C-Atoms ist ziemlich kompliziert. Um die weitere Darstellung einfacher zu machen, hat es einen Sinn die Zeichnungen zu vereinfachen, sie mehr symbolisch darzustellen. Um das zu schaffen, zertrennen wir gedanklich den Atomkernring und entfalten ihn in einen Stab. Die Dicke des Stabs symbolisiert den kleinen Durchmesser des Atomkernrings.

Abb. 3.2. Vereinfachte (schematische) Darstellung des Kohlenstoffmodells

Die zwei Elektronen, die parallel dem Atomkernring sind und keine Rolle bei den chemischen Reaktionen spielen, werden weiter berhaupt nicht gezeigt. Die verbliebenen Valenzelektronenringe werden nicht als Ringe, sondern als einfache Kreise dargestellt. Auf diese Weise kann man aus der Abb. 3.1 die viel einfachere Abb. 3.2 bekommen.

Wegen seinem kleineren Atomkernring (Proton) mu sich das Wasserstoffatommodell (Abb. 2.3) leicht mit einem zweiten Elektronring verbinden. Diese Verbindung ist in der Abb. 3.3 (a und b) gezeigt. Sie besteht aus einem Proton und zwei Elektronen. Man kann diese

Abb. 3.3a. Negativer Wasserstoff-Ion H-

Abb. 3.3b. Negativer Wasserstoff-Ion H- in der Nhe des Atomkern (nicht gezeigt) eines anderen Atoms Verbindung als H- bezeichnen.

Das ist ein negativer Wasserstoff-Ion. Er kann ziemlich flach dargestellt werden (Abb. 3.3a), obwohl in einer Bindung mit anderen Atomkernen er sich in ein rumliches Gebilde verwandelt (Abb. 3.3b). Die flache Variante ist bequem bei vereinfachten Darstellungen der Molekle (z.B. weiter in der Abb. 3.4), die rumliche wird verwendet bei Darstellung des gemeinten wirklichen Bildes des Molekls. Diese Verbindung wird weiter mehrmals benutzt. Wenn sie in der Chemie vielleicht nicht sehr bekannt ist, dann nur aus dem Grunde, weil sie fast immer ein Bestandteil der uns bekannten Verbindungen, die mindestens zwei Atomkernringen enthalten, ist.

Abb. 3.4. Methan CH4, schematische Darstellung

Vier Wasserstoffatome bilden mit den vier Valenzelektronen des C-Atoms (Abb. 3.1 oder 3.2) vier H--Verbindungen, die, weil sie elektrisch negativ sind, sich an das elektrisch positive C-Atomkern klammern und damit den Methan CH4 bilden. In der schematischer flacher Darstellung (Abb. 3.4) sieht Methan sehr einfach, das rumliche dreidimensionale Modell (Abb. 3.5) aber viel komplizierter aus. Die dnne Ringe in der Abb. 3.5 sind

Abb. 3.5. Methan CH4, rumliche Darstellung

Elektronen, die kleinen dicke - die Wasserstoffatomkerne (Protonen), der groe dicke Ring - der Kohlenstoffatomkern. In der rumlichen Darstellung sind die 4 H--Elemente (Abb. 3.5 und 3.3b) auch nicht flach, sie sind gewinkelt, und darum auch dreidimensional.

Man kann sich vorstellen, da das Wasserstoffatom mit anderen Atomen (fast) immer unter Bedingung des Bilden des Elements H- (Abb. 3.3) sich verbindet. In diesem Falle knnen sich ausreichend passive Molekle der Wasserstoffverbindungen bilden.

4. Physikalische Definition der Valenz

Nach dem Aufbau des Modells des Methanmolekls CH4 kann man schon vermuten, was in den neuen Atommodellen eigentlich Valenz ist. Das Wort Valenz wird bersetzt aus dem Lateinischen als Mglichkeit und bedeutet, z.B. die Mglichkeit mit einem anderen Atom eine Verbindung zu bilden. In unserem Fall ist Valenz die Mglichkeit fr einen Elektron des Atoms 1 einen Anlegeplatz am Atomkern des Atoms 2 zu finden. Aber nicht fr den ganzen Elektron, sondern nur fr einen Teil seines Ringes. Andererseits, mu gleichzeitig ein Elektron (ein Teil seines Ringes) des Atoms 2 einen entsprechenden Anlegeplatz am Atomkern des Atoms 1 finden. (Es ist also eine gewisse Analogie mit der anerkannten Bindung mit Hilfe von Elektronenpaaren da.)

Die Valenz ist einerseits die Mglichkeit eines Teils eines Elektronrings eines Atoms sich in der Nhe eines Atomkernrings eines anderen Atoms aus rein elektrostatischen Grnden einen Anlegeplatz zu finden, das heit, einen Platz, wo der Teil des Elektronrings angezogen werden kann. Und umgekehrt, der Atomkernring mu sich teilweise mit einem Teil eines Elektronrings des anderen Atoms verbinden. Es mssen an der chemischen Bindung immer mindestens zwei Atomkernringe und zwei Elektronringe beteiligt sein.

Weil bei der Annherung die Anziehungskraft immer in Abstoungskraft bergeht, kann man auch immer sagen, da die chemische Bindung eine ausreichend starke Wechselwirkung der elektrischen Felder der Teile der Atomkern- und der Elektronringe bedeutet. Der Grund der Bindung ist immer die elektrostatische Anziehungskraft und die Gewinnung der Energie bei diesem Akt.

Nach der oben dargestellten Definition der Valenz knnte man leicht auch eine Verbindung von zwei He-Atome zeigen. Aber wenn wir He-Atommodelle entsprechend der Abb. 1.3 benutzen wrden, knnten wir eine Energiegewinnende Darstellung einer solcher Verbindung nicht erreichen. Ein Elektronring des He-Atoms (Abb. 1.3) kann so gut wie nie (nur bei sehr niedrigen Temperaturen) an einem anderen Atomkernring einen gewinnbringenden Anlegeplatz finden, weil er zu stark mit dem eigenen He-Atomkernring verbunden ist. Darum hat das He-Atom keine Mglichkeit (keine Valenz) sich mit anderen Atomen zu binden. Anders gesagt, das He-Atom hat die Valenz Null. Umgekehrt, der Elektronring des H-Atoms (Abb. 2.3) ist mehr als zur Hlfte so gut wie nackt, er kann von jedem nicht gut genug von eigenen Elektronenringen abgeschirmtem Atomkernring angezogen werden. Nicht aber von dem Atomkernring des Heliums. Der ist sehr gut abgeschirmt von seinen zwei eigenen Elektronringen. Gleichzeitig auch ein Teil des H-Atomkernrings (die von eigenem Elektron abgewandte Seite) kann leicht mit einem Teil des Elektronrings eines anderen Atom sich binden. Also fr die Verwirklichung der Valenz mu es nicht Elektronen-Paare geben, wie es behauptet wird, um die symbolische Elektronen-Schale voll zu machen, sondern einen ausreichend nackten Elektronring und ein Platz fr ihn in der Nhe eines Atomkernringes, und umgekehrt. Zwischen Teilen der geladenen Ringen der Elementarteilchen wirken ganz normale elektrostatische Anziehungs- und Abstoungskrfte.

Die Anzahl der Valenzelektronen war ein scheinbar materialistischer Grund der Valenz, in Wirklichkeit ist es ein rein mystischer Grund. Das knnen wir unter anderem aus folgendem sehen. Uns ist bekannt, da das H-Atom einen einzigen Elektron hat, darum kann es Elektronenpaare nur mit einem anderen Atom bilden. Es gibt aber Flle (z.B. in Borhydriden), da man gezwungen wird zu sagen, da das einzige Elektron des H-Atoms zwei andere Atome verbindet. Die Erklrung ist dann natrlicherweise sehr knstlich und nicht glaubhaft. Genauso klappt es nicht mit den vollen Schalen. Die Edelelemente drften (wegen der vollen Schale) auf keinen Fall Bindungen mit irgend einem Atom bilden. Tun sie aber. Nach der im Abschnitt 1 dargestellter Vorstellung knnen Modelle aufgebaut werden, in welchen die Valenz einen anderen, nicht abstrakten Sinn hat. Ob ein Atom sich mit einem anderen verbinden kann oder nicht, kann man sofort nicht nur sehen, sondern auch abtasten, fhlen. Man bekommt die Mglichkeit sich mehrmals anschaulich zu berzeugen, da das H-Atom nicht nur wirklich 2 andere Atome binden kann, sondern da es aus der Sicht der oben gegebenen Definition der Valenz ein ganz normaler Fall ist, der berhaupt keine besondere Erklrung braucht.

Eine Bedingung mu aber immer erfllt sein: das Bild der Atomen, die sich verbinden, mu richtig sein. Wenn etwas falsch funktioniert, knnen wir berzeugt sein: das Bild des Atoms oder des Molekls ist nicht ganz richtig dargestellt. Und damit bekommt man die Mglichkeit die entsprechende Vorstellung ber das Aussehen eines Atoms oder eines Molekls zu verbessern. Mit dem neuen Atommodell kann man sich langsam zur richtigen Darstellung vortasten.

 

Abb. 4.1. Acetylen - C2H2 Abb. 4.2. thylen - C2H4 Abb. 4.3. than - C2H6

Aufgrund der oben schon dargestellten Modelle kann man jetzt sehr leicht das schematische Modell von Acetylen - C2H2 (Abb. 4.1), thylen - C2H4 (Abb.4.2) und than - C2H6 (Abb. 4.3) feststellen. Schauen wir uns das Modell von Acetylen - C2H2 genauer an. Man kann behaupten, da die H-Atome die zwei C-Atomkernringe verbinden. Wir haben hier eine ganz andere Funktion der H-Atome. In der anerkannten schematischer Darstellung der Strukturformel von C2H2 verbinden sich H-Atome mit C-Atomen. Hier aber verbinden H-Atome die C-Atome. Und umgekehrt - die C-Atome spielen in diesen Verbindungen eine ziemlich passive Rolle: sie verbinden nichts, sie lassen die Verbindung zu.

5. Warum gibt es kein Boran?

(Noch eine Definition der Valenz. Warum haben einige Elemente mehr als eine Valenz?)

Nach den dargestellten Modellen der Atome und Molekle wird klar, da anstatt des abstrakten Begriffs der Valenz jetzt der freie Platz auf dem Atomkernring antritt. Wenn der Atomkernring nicht ausreichend von Elektronen abgeschirmt ist, gibt es eine Mglichkeit (Valenz) der weiteren Bindung mit anderen Atomen oder Moleklen. Dieses kann man sehr anschaulich mit folgendem Beispiel schildern.

Die Valenz des Bors ist gleich 3. Die Valenz des Wasserstoffs ist gleich 1. Darum mte die Verbindung Bortrihydrid BH3 oder Boran existieren. Es gibt aber nur das Diboran B2H6. Die Existenz des Diborans kann man zur Zeit so gut wie nicht erklren. Man ist so weit, da man behauptet, da das Wasserstoffatom mit seinem einzigen Elektron sich gleichzeitig mit zwei Boratomen verbinden kann. Nur das kann die Existenz des Diborans erklren. Aber kann man damit erklren, warum das Wasserstoffatom das tut? Warum verbindet es sich nicht immer mit zwei Atomen?

Damit alles pat, ist man gezwungen anzunehmen, da das Boratom mit seinen 3 Valenzelektronen sich mit vier H-Atomen verbinden kann. Behauptet man dabei nicht, da in diesem Falle das Wasserstoffatom die Valenz 2, und das Boratom die Valenz vier hat? In allen anderen Fllen hat das Wasserstoffatom die Valenz 1, und das Boratom die Valenz 3. Auch in Diboran selbst haben 2 aus 3 H-Atomen die normale Valenz 1. Das Einverstndnis, da das Wasserstoffatom einmal die Valenz 1 und andermal die Valenz 2 hat, und dazu noch in einer und der gleichen Verbindung, ohne zu erklren, warum so etwas geschieht, kann man wahrscheinlich als Abkommen bezeichnen. Wenn man ehrlich sein will, mu man einfach gestehen, da die Erklrung an die Haaren herangezogen ist. Anstndiger wre zu sagen, da die Erklrung nach der existierender Definition der Valenz nicht immer funktioniert.

(Auf eine Frage, wie die Fernwirkung entsteht, antwortete Newton: Ich erdenke keine Hypothesen. Gemeint wurde: Die ich nicht beweisen kann. Sokratus antwortete oft: Das weis man nicht oder auch Das weis ich nicht. Die heutige Professoren bevorzugen sich als allwissende darzustellen und genieren sich nicht eine unlogische Erklrung zu geben, die bei einem Studenten den Eindruck weckt, da er etwas nicht verstehen kann. Eine ehrliche Antwort: Das weis man nicht wrde einen ehrgeizigen Studenten zur Suche nach einer vernnftigen Erklrung motivieren und er wrde nicht denken, da er minderwertig ist und die kluge Erklrung des Professors nicht verstehen kann.)

Aufgrund des neuen Atommodells kann man die Existenz des Diborans leicht erklren und gleichzeitig auch verstehen, warum es das Boran nicht gibt. Und zwar ohne ein Abkommen mit eigener Ehrlichkeit zu treffen. Das Boran knnte so aussehen, wie es in der Abb. 5.1

Abb. 5.1 Das Boran - BH3 enthlt 3 H- Elemente auf der Auenseite seines Bor-Atomkernrings. Auf dem Bor-Atomkernrings gibt es noch viel freien Platz, infolge dessen bleibt dieses Molekl chemisch aktiv.

gezeigt ist: auf dem Atomkernring des Bors sind 3 seine Elektronenringe je mit einem H-Atom verbunden. Wenn aber der Radius des Atomkernrings des Bors nicht kleiner ist, als der des Kohlenstoffs, dann bleibt auf dem B-Atomkernring noch viel Platz. Die Mglichkeit zur weiteren Bindung ist, folglich, nicht gestillt. Man kann vermuten, da ein Boran-Molekl sich mit einem anderen verbinden kann. Die Abb. 5.2 zeigt die Erfllung dieser Mglichkeit. Die zwei B-Atomkernringe des Diboran-Molekls sind mit Hilfe von zwei H--Elemente verbunden. Die anderen H--Elemente sind nur mit einem der B-Atomkernringe verbunden. Die Atomkernringe sind voll besetzt, das Diboran-Molekl ist ausreichend chemisch passiv. Darum ist es bei normalen Bedingungen ein Gas.

Abb. 5.2. Das Diboran-Molekl - B2H6. Die Atomkernringe sind voll besetzt, das Molekl ist ausreichend chemisch passiv.

Die Darstellung in der Abb. 5.2 folgt der existierender Vorstellung, da im Diboran-Molekl zwei H-Atome zwei Boratome verbinden. Das Diboran kann man aber auch anders darstellen. Jedes Bor-Atomkernring hat 6 Pltze fr Elektronenringe. Jedes Boratom hat 3 Valenzelektrone, also insgesamt 6. Wenn 6 H-Atome, die sich nach der Formel B2H6 mit zwei Boratomen verbinden, sich mit 6 Valenzelektronen der zwei Boratomen verbinden, dann haben wir genau 6 H--Elemente, die auf den zwei Bor-Atomkernringen Platz finden mssen. Wenn jedes von den 6 H--Elemente mit der freien Hlfte eines Elektronrings sich mit einem Bor-Atomkernring und mit der freien Hlfte des anderen Elektronrings sich mit dem anderen Bor-Atomkernring verbindet, dann bekommen wir das Bild, da in der Abb. 5.3

Abb. 5.3. Ein symmetrisches Molekl des Diborans.

gezeigt ist. Alle freie Pltze sind auf den Bor-Atomkernringen besetzt, die Boratome sind mit Hilfe der 6 H--Elemente fest miteinander verbunden. In dieser Bindung benimmt sich jedes H-Atom genau, wie alle anderen, ohne jede Ausnahme. Welche von diesen zwei Darstellungen des Diborans (Abb. 5.2 oder 5.3) richtig ist, oder welches mehr der Wirklichkeit entspricht, kann aus energetischen Grnden bestimmt werden. Der Schnheit und der Symmetrie halber, mssen wir den Vorzug der Abb. 5.3 geben.

Jetzt kann man noch mal eine Definition der Valenz geben, die quivalent der schon gegebenen, aber vielleicht viel deutlicher ist. Wenn das (einzige) Elektron von dem H-Atomkern getrennt ist, das heit, wenn das H-Atom ionisiert ist, dann haben wir die maximal mgliche Polarisation des Wasserstoffatoms, weil wir einen (+)Pol (den Atomkern) und weit weg von ihm den (-)Pol (das Elektron) haben. Diese maximale Polarisation bedeutet auch die maximal mgliche Bindungsenergie. Bei der Bindung des Elektrons mit dem Proton kann man 13,53 eV gewinnen. Energetisch gesehen, bedeutet die maximale Polarisation die maximale Mglichkeit der Energiegewinnung bei der Bindung, die die zwei polarisierte Elemente sozusagen anstreben. Ein Atom, von weit weg gesehen, ist nicht polarisiert, es ist elektrisch neutral. Wenn wir das Atom in der Nhe betrachten, knnen wir lokale elektrische Felder bemerken. Das H-Atom ist von der Sicht eines gewissen Abstands vom Atom, viel strker polarisiert, als das He-Atom, weil es verhltnismig weit voneinander befindende Teile des positiven Atomkernrings und des negativen Elektronrings hat. Das H-Atom kann sich mit anderen Atomen binden, das He-Atom aber nicht.

Auch das Boran hat positive Teile des Bor-Atomkernrings, die sich verhltnismig weit von negativen Teilen der Elektronringen befinden. Und auch Boran kann sich weiter chemisch binden. Also kann man sagen, da die Valenz (Mglichkeit) sich zu binden dann besteht, wenn eine ausreichend starke lokale Polarisation vorhanden ist. Aber eine lokale Polarisation besteht immer, auch beim He-Atom. Als erste Nherung kann man folgende Definition annehmen:

Die chemische Valenz sich zu binden besteht dann, wenn der Atomkern entlang seines Rings einen freien Platz hat oder haben kann, dessen Gre vergleichbar mit der Lnge seines Radius ist.

Diese Definition gilt nur fr Verbindungen von Atomen der ersten zwei Perioden der chemischen Elemente gltig. Die allgemeine Definition der Valenz kann so klingen: Wenn ein Atom oder Molekl ein ausreichend starkes Feld im Abstand von einem Elektronradius von seinen Bestandteilen hat, dann besitzt es die Mglichkeit zur chemischen Bindung. In dieser Definition, damit sie ganz genau wre, fehlt nur noch die Angabe der Strke des Feldes. Es ist auch klar, da, damit eine Bindung entstehen kann, mssen beide Bindungspartner dieser Definition entsprechen.

Diese Definition zeigt aber, da die Mglichkeit zur Bindung zwischen Atomen immer besteht, auch wenn es nur eine schwache Bindung sein wird. Zwischen ihnen gibt es keinen qualitativen, sondern nur einen quantitativen Unterschied. Die schwache Mglichkeit zur Bindung kommt zur Verwirklichung beim Verflssigen der Gase oder beim Gefrieren der Flssigkeiten. Auerdem zeigt diese Definition, da man, rein theoretisch gesehen, keine scharfe energetische Grenze zwischen den starken chemischen Bindungen und den schwcheren physikalischen Bindungen (z.B., der Verflssigung) ziehen kann. Dies beweist die Bindung zwischen Wassermoleklen im Wasser, die so stark ist, da man sie durchaus mit der Strke der chemischen Bindungen vergleichen kann.

Die Beispiele zeigen, da alle Wasserstoffatome berall das gleiche tun - sie verbinden sich mit einem Elektron, bilden damit das Element H- und nachdem, abhngig davon, ob es Platz gibt, verbinden die H-- Elemente zwei Atomkernringe oder befinden sich in der Nhe nur des einen.

6. Symmetrie und Asymmetrie einiger Moleklen

Die Strukturformel des Benzols ist nach dem Begriff der formalen Valenz asymmetrisch. Sie stellt einen Ring aus 6 Kohlenstoffatomen dar, die mit Hilfe ihrer Elektronen miteinander gebunden sind. Weil Kohlenstoff die Valenz 4 hat, kann er sich vier mal mit anderen Atomen binden: zweimal mit einem C-Atom-Nachbar, einmal mit dem anderen C-Atom-Nachbar und einmal mit dem H-Atom. Die Asymmetrie besteht in dem, da er einmal mit einem C-Atom-Nachbar, zwei mal mit dem anderen C-Atom-Nachbar sich bindet. Nach den existierenden Regeln geht es nicht anders.

Das schlimme ist, da die Forscher die einfache Bindung von der zweifachen unterscheiden knnen. Nach ihren Ergebnissen sind beide Bindungen des C-Atoms in dem Benzol-Ring mit seinen C-Atom-Nachbarn gleich lang. Und das mu erklrt werden. Dies wurde mit Hilfe der Resonanzmethode gemacht. Die einfache Bindung wirkt (wie?!) auf die doppelte und umgekehrt (!). Der Mechanismus dieser Wechselwirkung ist sehr einfach. Es werden nebeneinander zwei Strukturformeln der Benzol-Ringe niedergeschrieben, in einer werden die doppelten Bindungen anstelle der einfachen Bindungen und umgekehrt dargestellt. Die zwei Strukturformeln(!) wechselwirken jetzt angeblich miteinander - und die Bindungen werden infolge gleichlang (!!!).

Wer nicht glaubt, da man so einen Unsinn niederschreiben kann, kann es nachlesen in [7 ] oder in vielen anderen Lehrbchern der Chemie. Mit Hilfe des Wrtchen Resonanz wird aus Asymmetrie Symmetrie gemacht. Wie eine Bindung und aus welchem Grunde auf die andere wirken kann, wie das niederschreiben nebeneinander von zwei Formeln (die nur in unserem Gehirn, oder, besser gesagt, nur auf Papier existieren!) eine Resonanz hervorrufen kann, wird nicht erklrt. Es wird nur behauptet. So kommt zum Tragen die Kraft der Wrter. Soll das nicht rein zufllig eine kabbalistische Methode sein?!

Eine ehrliche Erklrung: Die beiden Bindungen zwischen den C-Atomen im Benzolring sind gleichlang, wir wissen aber nicht warum, - wrde die Suche nach einer Erklrung frdern. Die kabbalistische Erklrung mit Hilfe der Resonanzmethode frdert nichts, lt uns aber scheinbar allwissend zu sein, wir heben uns von der Masse ab, die verstehen mu: Ich habe es ja Ihnen erklrt, aber Sie werden es doch nicht und nie begreifen. Wenn Sie aber klug genug sind, knnen Sie es einfach wiederholen, und dann werden andere denken, da auch Sie es begriffen haben. Immer, wenn wir etwas nicht wissen, kommt uns die Mystik zur Hilfe.

Es versteht sich, da viele klug genug waren. Die Resonanzmethode ist in der Chemie sehr populr geworden. Fast alles, was unverstndlich zu sein scheint, kann man mit ihrer Hilfe erklren. Man mu nur verschiedene Schreibweisen der gleichen Formel finden - und schon knnen sie in Wechselwirkung treten mit folgender Resonanz. Auf Papier ist alles mglich. Papier hat eben Geduld.

Die neuen Atommodelle erlauben den Benzolring symmetrisch in einer einzigen Darstellung zu zeigen. In der Abb. 6.1 ist zwischen den Linien AB und CD ein Sechstel des Benzolrings dargestellt. Die Kohlenstoff-Atomkernringe sind mit Hilfe der H- -Elemente miteinander verbunden - von beiden Seiten gleich, also symmetrisch. Sie besetzen auf dem C-Atomkernring je 1,5 Elektronenpltze, genau wie im Falle des Methans (Abb. 3.5), nur unter anderem Winkel zum Atomkernring. Weil jedes C-Atom mit zwei anderen verbunden ist, befinden sich H--Elemente von beiden Seiten des C-Atomkernrings. Sie besetzen also auf jedem C-Atomkernring 3 Elektronenpltze. Jeder C-Atomkernring hat 6 Elektronenpltze und 4 Valenzelektronen. Eins von den 4 Valenzelektronen bildet mit einem H-Atom das H- - Element von einer Seite des C-Atomkernrings, es verbleiben von jedem C-Atom noch 3 Elektronen fr 3 freie Pltze. Das bedeutet, das zwischen den zwei H--Elementen von einer

Abb. 6.1. Ein Sechstel des Benzolrings (zwischen den Geraden AB und CD).

Seite des C-Atomkernrings sich ein Elektronring befindet (in der Abb. 6.1 unten in der Mitte), und von der anderen Seite (oben) die andere zwei Elektronringe. Aus diesem folgt, da die Symmetrieachsen AB und CD der zwei H--Elemente nicht parallel zueinander sind, sie bilden in der Blattebene einen Winkel. Das, was sich zwischen den Symmetrieachsen AB und CD in der Abb. 6.1 befindet - ist genau ein sechstel des Benzolrings, und weil ein Ring auf der Ebene immer 360o enthlt, mte auch der Winkel zwischen den Symmetrieachsen AB und CD gleich 60o sein. Er ist aber viel kleiner. Wenn wir die Zeichnung zwischen den Symmetrieachsen AB und CD 6 mal wiederholen und dann entlang der Achsen sie zusammenlegen, bekommen wir nicht einen Ring, sondern nur einen Teilring. Wir wissen aber, da wenn wir einen Teilring aus Papier ausschneiden und die Rnder zusammenlegen, dann bekommen wir doch einen Ring, aber einen konischen. Der Benzolring wird in unserer Darstellung kein flacher Ring, sonder ein konischer, ein dreidimensionaler sein.

Resmee.

Die Darstellung der Elektronen und Atomkerne in Form von Ringen erlaubt eine nichtformale Definition der Valenz (Mglichkeit zur chemischen Bindung) zu geben, die als freier Platz zum anlegen eines Teils der Elektronenringen oder als Vorhandensein einer ausreichend groer Polarisationszone des Atoms bezeichnet werden kann. Die neuen Atommodelle erlauben eine neue einfache Erklrung der Existenz des Diborans und umgekehrt der Nichtexistenz des Borans zu geben. Sie erlauben die Symmetrie der Molekle wie Benzol ohne der Verwendung der kabbalistischen Resonanzmethode zu erklren und vieles mehr.

Anmerkung. Man mchte erinnern, da nach der Verffentlichung des Atommodells von Nils Bohr man 12 Jahre lang kein einziges Molekl darstellen konnte. Das neue Modell erlaubt vom Anfang an praktisch jedes einfache Molekl darzustellen. Der Autor meint, da das neue Atommodell eine viel bessere Annherung an die Wirklichkeit sein wird, als das zur Zeit anerkannte Modell, aber es ist immer noch nicht die Wirklichkeit selbst. Wenn jemand einen Fall findet, in dem das neue Modell nach seiner Meinung nicht angewendet werden kann, bittet der Autor um eine Mitteilung.

Literatur:

1. J. Kern, Pritschinno-sledstwennoe tolkowanie islutschenija fotonow i spektra islutschenija gasow, Rodina, Nr. 11(38), 2001, http://physics.nad.ru/cgi-bin/forum.pl?forum=new&mes=10859

  1. O. Hfling, Physik, 13. Auflage, Duemler, Bonn, 1983, S.545
  2. H. Vogel, Gerthsen Physik, 18. Auflage, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1995,, S. 423
  3. K. Meyl, Elektromagnetische Umweltvertrglichkeit. Teil 1. Villingen-Schwenningen 1996.
  4. H. Vogel, Gerthsen Physik, 18. Auflage, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1995, S. 670
  5. H. Vogel, Gerthsen Physik, 18. Auflage, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1995, S. 714
  6. Hammond, Osteryoung, Crawford, Gray. Modellvorstellungen in der Chemie, Walter de Gruyter, Berlin-New York 1976, S. 184
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