Wave mechanics fundaments for quantum chemistry in secondary education

Abstract

Während die Quantenchemie seit rund einhundert Jahren in der Fachwissenschaft das Standardmodell der chemischen Bindung darstellt, ist sie bislang nur eingeschränkt im Chemieunterricht angekommen. Insbesondere die Einführung der Welleneigenschaften der Materie wird oft vernachlässigt. Die Komplexität des Themas macht es erforderlich, die Grundlagen exemplarisch zu behandeln. Einfache Modelle mit unendlich hohen Potentialwänden und verschwindendem Potential im inneren können als Anregungen dienen, die es Lehrkräften ermöglichen sollen, dieses Gebiet zu unterrichten. Die mathematische Modellierung basiert hier im Wesentlichen auf der Sinusfunktion und ist somit grundsätzlich für die Schule geeignet. Grundlage der Bindungsbildung ist die Interferenz, die stattfindet, wenn elektronische Wellen bei Annäherung von Atomen aufeinandertreffen. Die Interferenz hat eine Umverteilung der Ladung zur Folge. Sofern diese Umverteilung mehr Raum einnimmt, führt dies in Folge zu einer Absenkung der kinetischen Energie. Daneben führt die Ladungsumverteilung zu Veränderungen in der potentiellen Energie. Dies ist Grundlage für eine Reihe von Regeln und Effekten, die in der Schulchemie häufig ohne Zusammenhang eingeführt werden. Auch wenn das Thema vornehmlich in der Oberstufe verortet ist, können jedoch bereits in der Mittelstufe die Welleneigenschaften gleichwertig zu den Teilcheneigenschaften phänomenologisch eingeführt werden.