Die Wissenschaft Chemie versucht Stoffe zu erklären. Zu diesem Zweck bedient sich der Wissenschaftler verschiedener Modelle hinsichtlich der Gestalt von Atomen. Das fortschrittlichste Modell ist das Orbitalmodell. Mit dessen Hiolde lassen sich chemische Bindungen einfach erklären.
Vorbemerkungen zum Orbitalmodell

In diesem Zusammenhang geht es um Denkmodelle, die auf wissenschaftlichen Erkenntnissen beruhen. Die Modelle basieren auf Annahmen, die zu den Forschungsergebnissen passen und diesen nicht widersprechen. Ein Atom muss in der Realität nicht so aufgebaut sein, wie es im Model angenommen wird.

Vielleicht ist Ihnen das Bohrsche Atommodell ein Begriff. Der dänische Physiker Niels Bohr beschreibt ein Atom als einen Kern, in dem positive Teilchen enthalten sind. Um diesen Kern kreisen auf bestimmten Schalen Elektronen (negativ geladene Teilchen). Je Proton (positives Kernteilchen) gibt es ein Elektron.
Aber Sie wissen nur, dass sich die Elektronen in einem Raum um den Kern aufhalten, ohne den genauen Ort zu kennen. Angenommen, Sie machen in einem dunklen Raum, in dem sich Mücken befinden, eine Glühbirne an. Sie wissen aus Erfahrung, die Mücken werden sich dem Licht nähern und wieder von der Birne entfernen, wenn es zu warm wird. Sie haben eine Erkenntnis darüber, wo sich die Mücken aufhalten, ohne den genauen Ort zu kennen, wo sie sich tatsächlich im Raum befinden.
Je mehr Protonen in einem Kern sind, umso größer sind die Räume um den Kern herum, in dem sich die Elektronen befinden. Dabei gibt es verschiedene Energieniveaus. Elektronen, die den gleichen Abstand zum Kern haben, haben auch das gleiche Energieniveau. Man spricht auch von Schale. Bei den Schalen handelt es sich um Kugelschalen, die ein sogenanntes Energiehauptniveau haben, also eine häufig vorkommende Energie.
Elektronen mit gleichem Energieniveau befinden sich auf der gleichen Schale. Je nach Schale gibt es wiederum verschiedene Räume, in denen sie sich wahrscheinlich befinden. Diese Räume können verschiedene Formen haben wie beispielsweise eine Kugel- oder Hantelform. Diese Hanteln können wiederum verschiedene Ausrichtungen haben.
Beachten Sie, es geht beim Orbitalmodell lediglich um Wahrscheinlichkeiten. Es ist wahrscheinlich, dass sich die Elektronen im bestimmten Räumen um den Kern bewegen. Definitiv wissen Sie aber nur, dass es eine Elektronenwolke um den Kern gibt. Denken Sie an die Mücken, Sie können nur davon ausgehen, dass Sie sich in einem bestimmten Raum um die Lampe befinden, wissen aber nie den exakten Ort.
Die chemische Bindung im Modell erklärt

Für Verbindungen sind nur die äußeren Schalen der Atome von Bedeutung. Betrachten Sie sich zwei typische chemische Verbindungen.

Angenommen, Sie haben zwei Atome Wasserstoff. Im Kern jedes Atoms ist ein Proton. Um dieses Proton bewegt sich ein Elektron, von dem angenommen wird, dass es sich auf einer kugelförmigen Schale bewegt. Nähern sich diese beiden Atome, kommt es zu einer Überlagerung der Orbitale, in denen sich je ein Elektron bewegt. Die beiden Elektronen nutzen nun gemeinsam die beiden Räume um die Kerne. Dabei geht man davon aus, dass Sie sich in einem bestimmten Raumbereich der beiden Orbitale häufiger aufhalten werden, also mit größerer Wahrscheinlichkeit anzutreffen sind.
Bei Atomen mit einer höheren Ordnungszahl sind sogenannte P-Orbitale häufig, also keulenförmige Räume (siehe Abbildung 1). Die Räume sind wie im Koordinatensystem in x-, y- und z-Richtung ausgerichtet. Diese Ausrichtung ändert sich, wenn es zu Bindungen kommt. Die Anwesenheit von anderen Atomen verändert die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Elektron sich an einem bestimmten Ort aufhält. Den Prozess nennt man Hybridisierung. Denken Sie an die Mücken und die Lampe. Wenn Sie einen Duftstoff an einer Stelle anwenden, werden die Mücken sich an einen anderen Ort im Raum begeben.
Die Orbitale des Kohlenstoffs ändern ihre Ausrichtung, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Der Kern steht in der Mitte eines Tetraeders, die Elektronen bewegen sich in Räumen, die zu den Spitzen ausgerichtet sind. Dort kommt es zu Überlagerungen mit den kugelförmigen Schalen des Wasserstoffs. Sie haben die Verbindung CH4.

Anmerkung: Bei der Ionenbindung wird anders als bei der chemischen Verbindung der Orbitalraum nicht gemeinsam genutzt. Ein Elektron wechselt bei diesen Bindungen vom Orbitalraum eines Atoms in einen Raum eines anderen Atoms.