Warum das Orbitalmodell entscheidend für unser Verständnis von Elektronen ist

Das Orbitalmodell spielt eine bedeutende Rolle in der modernen Chemie und Physik. Es beantwortet die Frage, ebenso wie sich Elektronen in einem Atom verhalten — und warum sie sich scheinbar nicht wie klassische Teilchen verhalten. Das Bohrsche Atommodell aus dem Jahr 1913 ist im Grunde ein vereinfachtes Bild. Als Niels Bohr es konzipierte – war die Quantenmechanik noch nicht vollständig entwickelt. Er dachte an Elektronen als sich in festen Bahnen bewegende Teilchen. Diese Vorstellung führte zur Annahme, dass sich Elektronen in festen „Orbitale“ um den Atomkern bewegen.

Die Realität ist jedoch komplexer. Elektronen sind quantenmechanische Objekte. Ihre Unschärferelation lässt uns nie gleichzeitig sowie den exakten Ort als ebenfalls die Energie eines Elektrons bestimmen. Das bedeutet: Wissen wir die Energie mit hoher Genauigkeit, verlieren wir die präzise Information über deren räumliche Lage. Ein paradox klingender Umstand, nicht wahr? Angesichts dieser Ungewissheit können wir nur sagen » wie wahrscheinlich es ist « ein Elektron an einem bestimmten Ort zu finden.

Die Orbitale die wir mit dem Orbitalmodell beschreiben, resultieren aus der Lösung der Schrödingergleichung und zeigen die Bereiche an, in denen man mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit das Elektron antreffen kann. Typischerweise spricht man von einer Wahrscheinlichkeit von 95 %, das Elektron in diesen Bereichen vorzufinden. Diese statistische Sichtweise unterscheidet sich grundlegend von der klassischen Vorstellung, dass sich Elektronen stets an bestimmten Orten befinden.

Interessanterweise haben die quantenmechanischen Eigenschaften von Elektronen tiefgreifende Konsequenzen. Sie bewegen sich nicht auf klassischen Bahnen. Ein sich bewegendes Elektron würde durch Zentripetalbeschleunigung Einfluss auf seine Energie ausüben — und das wäre energetisch nicht nachhaltig. Bei dieser Überlegung wird schnell klar: Würden Elektronen tatsächlich bewegliche Teilchen sein, würden sie aufgrund ihrer Energieabstrahlung irgendwann „kollabieren“. Dabei spielt das Orbitalmodell eine bedeutende Rolle. Es erklärt beispielsweise, warum Moleküle wie Aromaten stabil sind — durch die Beschreibung der gemeinsamen Pi-Elektronensysteme.

Das Orbitalmodell ist ein Instrument zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass ein Quantenereignis, das wir als „Beobachtung eines Elektrons“ deuten, an einem gegebenen Ort stattfindet. Elektronen verhalten sich nicht wie klassische Teilchen. Vielmehr sind sie vielmehr "Wolken" aus Energie. Diese Wolken variieren in ihrer Dichte – uns erscheint es oft so wie würden sie sich wie Teilchen verhalten. Diese Sichtweise ist der Grund – warum wir Elektronen nicht unbegrenzt lokalisiert betrachten können. Der Gedanke, dass sie „Kontakt“ mit festen Positionen haben ist irreführend.

Abschließend ist die Unterscheidung zwischen den Modellen von Bohr und dem Orbitalmodell fundamental. Letzteres erlaubt es uns chemische Bindungen zu verstehen ihre Orientierung zu erklären und theoretische Konstrukte zu formulieren die im Bohrschen Modell nicht möglich sind. Das Orbitalmodell ist nicht nur eine kühle mathematische Spielerei ´ allerdings eine essenzielle Grundlage ` um die chemische Beziehung und die Struktur von Molekülen vernünftig zu analysieren.