Übersicht

Ziel:

Quantenchemisches Verständnis für die Bildung von Molekülen und deren Elektronenkonfiguration.

Leitfragen:

•     Wie interpretiert man Orbitale (Einelektronenwellenfunktionen) und wie lässt sich quantenchemisch die Bildung einer Elektronenpaarbindung erklären?
•     Wie lassen sich Orbitalenergieschemata (Elektronenkonfiguration) von Molekülen aufstellen?

Zeitbedarf: ca. 18 Lektionen

Ausgangspunkt des Moduls sind die Orbitale des Grundzustands und der angeregten Zustände eines Wasserstoff-Atoms. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden auf Atome mit mehr als einem Elektron übertragen.
Ausgehend von der Elektronenverteilung (Elektronenkonfiguration) in den Elektronenhüllen einzelner Atome wird gezeigt, wie man damit den Aufbau von Molekülen quantenchemisch verstehen kann. Ein Vergleich mit Lewis-Formeln lässt die Unterschiede der beiden Modelle erkennen.
Für mathematisch interessierte Benützer des Moduls wird im Kapitel 4 (Anhang) exemplarisch und detailliert dargestellt, wie man die Wellenfunktion für den Grundzustand eines Wasserstoff-Atoms «findet» und sich damit kinetische, potenzielle und Gesamtenergie des Systems Proton-Elektron berechnen lassen.

Einsatz im Chemiunterricht
Das Modul 2 erfordert viel Durchhaltevermögen von Seiten der Schülerinnen und Schüler (S+S) wie auch der Lehrkraft. Es hat sich jedoch in vielen Jahren der Unterrichtspraxis gezeigt, dass nach Abschluss des Moduls die Befriedigung und der Stolz über die geleistete Anstrengung von beiden Seiten sehr gross sind. Zahlreiche mündliche und schriftliche Rückmeldungen haben dies bestätigt.
Nach dem Modul 1 «Wellen Licht und Elektronen» sollte ohne grossen zeitlichen Unterbruch mit der Unterrichtseinheit «Quantenchemie und chemische Bindung» begonnen werden. Die Kapitel 1 und 2 enthalten die wesentlichen Aussagen über Wellenfunktionen, die Energieverhältnisse, die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und die Bindung im Wasserstoff-Molekül. Bei Zeitmangel kann auf das Kapitel 3 verzichtet werden. Von Schülerinnen- und Schülerseite wurde jedoch immer wieder betont, dass gerade dieses Kapitel sehr eindrücklich zeigt, wie die am Wasserstoff-Atom erarbeiteten Kenntnisse sich auf neue Fragestellungen (Moleküle der Elemente der 2. Periode) übertragen lassen.
Vom Kapitel 4 (Anhang) ist für die S+S nur der Abschnitt 4.1 (Zeichen, Einheiten, Konstanten und Formeln) relevant. Die Abschnitte 4.2 und 4.3 sind primär für die Hand der Lehrpersonen gedacht. Einige Übungsaufgaben sowie die Aufgaben von Abschnitt 4.4 benötigen für die Lösungen die Grundlagen der Analysis. Hier ist die Zusammenarbeit mit einer Mathematiklehrperson von Vorteil.

Unterrichtsmaterial
Für dieses Modul sind keine Unterrichtsmaterialien nötig. Die umfassende Theorie wird jedoch durch zahlreiche Abbildungen sowie Simulationen mithilfe von Powerpoint-Präsentationen massgeblich unterstützt.
Als Ergänzung stehen drei Powerpoint-Präsentationen sowie zusätzliche Übungen zur Verfügung.