Eine Kernmechanisch begründete Physikalische Chemie

Da das Kernmechanische Modell schon systembedingt eine grundsätzliche Abhängigkeit der Elektronen-Orbitale von den Nukleonen-Orbitalen verlangt, ist es naheliegend, die mittlerweile erreichte Konsolidierung des Modells zu nutzen, um daraus ganz konkret eine verbesserte neue (Kern-) Physikalische Chemie zu entwickeln.

Als erstes fällt hier das unmittelbar aus der Protonen-Anordnung im C-12- Kern abzuleitende Modell der Elektronen-Orbitale des Kohlenstoffatoms ins Auge, welches sich ersichtlich in vielen charakteristischen Bindungen wiederfindet. - Während die auf der alten Quantenmechanik beruhende herkömmliche Physikalische Chemie zu allerlei Hilfskonstruktionen wie Hybridorbitalen und Mesomerie-Resonanzen Zuflucht nehmen muß oder oftmals auch Doppel- und Dreifachbindungen erst aus der gemessenen jeweiligen Bindungslänge erschließt, führt die Kernmechanische Chemie meist unmittelbar zum gewünschten Ergebnis.

Auch beim zunächst sehr einfach erscheinenden “magischen” O-16-Nuklid lassen sich die vier für die Molekülbindungen zur Verfügung stehenden Elektronen-Orbitale direkt über das entsprechende Kernmechanische Modell herleiten. Zu beachten ist dabei nur, daß die Elektronen-Orbitale - anders als die Nukleonen-Orbitale im Kernring -, auf Grund der zwischen ihnen wirkenden elektrostatischen Abbstoßung, in der Regel nicht planar angeordnet sind. Insoweit gibt es hier eine weitgehende Übereinstimmung mit dem bisherigen physikalisch chemischen VSEPR-Modell, etwa bei der tetraedrischen Struktur des H₂O-Moleküls, wenn man zudem noch die freien Elektronenpaare in die Gesamtrechnung mit einbezieht.

Bei aller scheinbaren Praxistauglichkeit durch immer neue Anpassungen in der quantenmechanisch begründerten Physikalischen Chemie ist es aber eigentlich doch ziemlich irritierend, wenn für viele Verbindungen häufig nur “mesomere Grenzstrukturen” angegeben werden können und dabei auf die “Delokalisierung” der Elektronen verwiesen wird. Eigentlich ist es jedoch gar nicht mehr notwendig, sich noch länger mit solchen Unschärfen und Unzulänglichkeiten zufrieden zu geben, denn es gibt eine Alternative...!

Da die Kernmechanische Chemie nun aber nicht nur detaillierte Angaben zu den jeweiligen Orbitalen macht, sondern ebenso den (mit dem Kernspin der Protonen korrelierten) Elektronenspin mit berücksichtigt, ermöglicht das genauere Aussagen, z. B. über Bindungswinkel im  H₂O₂-Molekül oder auch Bindungsgrad und Bindungslängen von CO- und CO₂-Molekülen.

Die nebenstehende Darstellung zeigt schematisch, wie etwa die mit jeweils zwei antiparallelen Elektronen besetzten Molekülorbitale angeordnet sind: Im CO-Molekül, wo ein Elektron ganz zum elektronegativen Sauerstoffatom übergewechselt ist, ergibt sich nun eine starke Polarisierung, welche die beiden seitlichen freien Elektronenpaare (hier: oben und unten) wie zwei Blattelektroden eines Elektrometers vom äußeren, dritten Elektronenpaar wegtreibt, hin zum positiv geladenen C-Atom. Beim analog aufgebauten CO₂-Molekül ist die Auslenkung aus der senkrechten Neutralposition und somit auch die (Doppel-)Bindung auf Grund gegenseitiger Abstoßung nicht ganz so stark wie beim CO-Molekül mit angenommener Dreifachbindung.

Ganz ähnlich sieht die Dreifachbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen aus: Zu der primären gemeinsamen (Sigma-)Bindung steuert jedes C-Atom noch ein weiteres “freies” bindendes Elektronenpaar bei, was zwar diese “ungesättigte” Bindung stärkt, wegen der ungleichen Ladungsverteilung aber auch energetisch sehr ungünstig für die Stabilität des Moleküls ist.

Deutlich besser sieht es diesbezüglich bei der C=C-Doppelbindung aus. Das Problem scheint dabei nur, daß die beiden seitlichen Orbitale hier nur einfach, bzw. lediglich eines von ihnen doppelt besetzt sein könnte(n)! - In diesem Fall gibt es jedoch eine überzeugende Alternative: Zwei mit je zwei Elektronen besetzte senkrecht zueinander stehende Orbitalsysteme auf einer gemeinsamen Bindungsachse. Ähnlich wie beim Diboranmolekül mit vier Elektronen auf einem Orbitalring oder bei Benzol, mit nunmehr gleich sechs Orbitalring-Elektronen, kommen sich die Elektronen dabei ebenfalls nicht “in die Quere”, während sich ihre Ringe gegenseitig durchdringen. Diese Konfiguration ist natürlich zudem die bessere Alternative zu den sogenannten “Bananenbindungen” des Ethylens.

Eine ganz ähnliche Analyse ergibt sich sodann auch für das hierauf aufbauende Butadienmolekül mit “mesomerer Elektronenverteilung”, wie überhaupt in der Kernmechanischen Chemie die Elektronenorbitale grundsätzlich genau definiert und lokalisiert sind. Allerdings unterliegen sie hier ebenso der Kopplung an den Nukleonenspin, als auch den jeweils auf sie wirkenden Coulomb-Kräften. Der entscheidende Punkt sind aber die Elektronenorbitale, d. h., die Elektronen (und anderen Elementarteilchen) befinden sich ständig auf stabilen Kernmechanischen Kreisbahnen um den eigenen (leeren) Schwerpunkt. Auf diese Weise bewirken sie über den gegenseitigen elektrostatischen Zusammenhalt zwischen sich und den Atomkernen all die vielfältigen chemischen Bindungen als Voraussetzung für eine in allen Details gut nachvollziehbare Kernmechanische Chemie.

Vergleichbare Aussagen lassen sich auch über andere Elemente, speziell der ersten Achterperiode, und ihre Verbindungen machen, z. B. über Bor oder Stickstoff, dessen Kernstrukturen ja ebenfalls auf das quasi magische O-16-Nuklid zurückgehen. Beim nicht ganz so magischen Stickstoff gibt es genau ein einziges freies Elektronenpaar, so daß bei der bekanntlich besonders stabilen N-N-Dreifachbindung (anders als bei den oben beschriebenen Orbitalen des Kohlenstoffs) alle drei Elektronen bereits im Grundzustand auf ein und derselben Seite(!) angeordnet sind.

Letztes Update: 14. 07. 10

Von (theoretisch) möglichen sechs C-12-Orbitalen sind real (max.) vier besetzt, z. B.: A, B, C und A’ oder auch: B + C und B’ + C’ (Diamant).

Die symbolisch angedeuteten Orbitale senkrecht zur Bildebene weisen zum Kern hin, sind aber nicht starr und oft z.B. um 45° ausgelenkt oder verdreht!

H-2-O-Molekül mit Bindungswinkel, Bindungslänge und VSEPR-Modell

Bindende Elektronenorbitale bei CO + CO-2

Dreifachbindungsorbitale beim Acetylen

Zweifachbindungsorbitale beim Ethylen

Butadienmolekül mit Elektronenmesomerie

Dreifachbindungsorbitale beim Stickststoff

Kernmechanisch gesehen: Halogene, Edelgase, Alkalimetalle

Wenn das alles richtig ist, müssten sich nun auch in jedem Einzelfall die chemischen Eigenschaften der Halogene, Edelgase und Alkalimetalle direkt von den jeweiligen Kernmechanischen Strukturen ableiten lassen, bzw. mit diesen kompatibel sein. Für die bezüglich der Protonenverteilung völlig symmetrischen stabilen Edelgaskerne Ne-20...22 scheint eine Überprüfung zunächst eher banal und trivial. Wie aber sieht es bei den komplementären Kernen F-19 und Ne-19 aus?

Man erkennt sofort, daß es beim F-19-Nuklid nur ein ungepaartes Proton, jenes mit dem vertikal orientierten Nukleonenspin (und dem Extrapfeil), gibt. Alle anderen Protonen weisen jeweils eine antiparallele Spinpaarung auf, wobei eine Spinorientierung im Raum dann noch mal verdoppelt erscheint. Dies ist aber für die Chemie des Fluors nicht weiter relevant, da die beiden inneren kernnah gebundenen “s”-Elektronen vom Element Lithium ab nach außen hin kaum mehr in Erscheinung treten.

Beim nicht gesondert abgebildeten komplementären Ne-19, I = 1/2+ und -1,885 MK, gibt es dagegen eine vollständige Protonenpaarung. Dies ist auch die entscheidende Voraussetzung dafür, daß die hieran gekoppelten Elektronenorbitale (mit im Vergleich zu O-16 zwei Elektronen mehr) nun gemäß der Edelgaskonfiguration ebenfalls doppelt besetzt sind. Dagegen entspricht F-17 trotz der leicht unterschiedlichen Kernstruktur, mit wiederum viermal doppelt vorhandener Protonenspinorientierung und einer nur einmal vorkommenden, sinngemäß dem Vorbild von F-19.

Sehr aufschlußreich erscheint danach eine Analyse der Natrium-Kerne, beginnend mit Na-23, dem einzig stabilen Nuklid einer ganzen Reihe, s. a.: Optimiertes Modell! Gemäß dem jeweils ermittelten Kernmechanischen Modell gibt es hier jetzt stets eine Dreifach-Protonen-Konfiguration mit gleicher Spinausrichtung, was aber nur für die Nuklide Na-21...24 gilt. D. h., bei der davon abgeleiteten Elektronenkonfiguration des Reinelements Natriums gibt es nur bei genau diesem - somit unabhängig von bisherigen Überlegungen bestätigten - Kernmodell in der Folge eben gerade das eine, für das Alkalimetall so charakteristische, lose gebundene Leuchtelektron.

Aromatische sowie andere auffällig riechende Verbindungen ...

Bekanntlich sind sich ja Benzol, C₆H₆, und Borazin (Borazol), B₃N₃H₆, welches man deshalb auch “anorganisches Benzol” nennt, in allen ihren Eigenschaften - auch im Geruch(!) - sehr ähnlich. Es lohnt sich deshalb kernmechanisch ganz besonders, hier einmal etwas genauer hinzusehen, worin denn die spezifischen Eigenschaften dieser und anderer auffällig riechenden Verbindungen begründet sind.

Nicht einmal im Widerspruch zur Physikalischen Chemie gibt es auch bei der Kernphysikalischen Chemie im Inneren des Benzolringes ebenfalls sechs Pi- oder Ring-Elektronen, nur das sie in diesem Fall tatsächlich
ganz real in der Ringebene in einem Kernmechanischen Orbital kreisen. Bei der ebenfalls schon früher besprochenen Verbindung Diboran sind es demgenüber vier solche Elektronen in einem KM-Orbital.

Wenn das alles so ist, dann sollte es womöglich auch vergleichbare Gründe für die ebenso charakteristischen Geruchseigenschaften etwa von Schwefelwasserstoff, Ammoniak und anderen auffällig riechenden Verbindungen geben?!

... und das Periodensystem der chemischen Elemente

Bei dem in Schwefelwasserstoff enthaltenem Schwefel käme man etwa sehr schnell zu einer Elektronenkonfiguration, wo es außer den beiden eng gebundenen inneren Elektronen nunmehr vier radial angeordnete Orbital-Ringe gibt, die dank der beiden Wasserstoffatome, siehe: Diboran, am Ende - wie beim Edelgas Argon - mit jeweils vier Elektronen besetzt sind. Ganz analog aufgebaut wäre ebenfalls das Schwefeldioxid-Molekül ...

Während also bei Argon der energetische gesättigte Schalenabschluß mit der Elektronenkonfiguration 2 + 4 x 4 erreicht würde, lautete diese für Neon entsprechend: 2 + 4 x 2. - Bleibt noch ergänzend nachzutragen, daß beim ständig hin und her schwingenden Ammoniak-Molekül wiederum auch ein mit sechs Elektronen besetzter “aromatischer” Orbitalring beteiligt ist und mitschwingt. Daß der Geruch jedoch eher scharf als aromatisch erscheint, liegt offenbar an den hier nur drei, statt beim Benzol sechs, außen angekoppelten Wasserstoffatomen.

Den nächsten Schalenabschluß gibt dann aber nicht bei 2 + 4 x 6, sondern erst bei 4 x 8 Elektronen, wobei zusätzlich wohl auch der immer enger werdende innere Zwei-Elektronenring auf vier Elektronen aufgeweitet wird - wie beim Xenon dann noch weiter auf sechs Elektronen, also: 6 + 4 x 12.

Daß der zunächst geordnete Aufbau des Periodensystems ab der längeren vierten (ersten großen) etwas aus dem Takt gerät, liegt ganz offensichtlich  daran, daß sich in den entstehenden Freiräumen weiter außen im Atom zunächst immer mehr ungepaarte Elektronen “einnisten” können, weshalb sich in der Folge immer mehr Metalle bilden, ehe dann wieder geordnete größere Ringstrukturen möglich werden.

An Hand der bekannten Ionisationsenergien usw. lässt sich der Aufbau des Periodensystems in jedem Punkt sehr gut nachvollziehen und durch die optimierte Anpassung aller Parameter zur Entwicklung eines umfassenden und detaillierten Gesamtmodells der chemischen Elemente nutzen.

Dennoch, ganz kann das so (noch) nicht stimmen: Bislang kann dieses einfache Modell nämlich noch nicht erklären, weshalb der Atomradius beim sogenannten Schalenabschluß allein durch das Hinzufügen eines einzigen Elektrons vom Halogen zum Edelgas - z. B. von Fluor zu Neon - derart sprunghaft ansteigt. Wenn man also bildlich gesehen bei einer Torte das letzte fehlende Stück wieder einfügt, ändert sich der Durchmesser der gesamten Torte damit eigentlich nur minimal. Weshalb also ist dies beim Zufügen des einen fehlenden Elektrons zum stark elektronegativen Fluor nunmehr gänzlich anders?

Bei F-19 gibt es genau ein ungepaartes Proton.

Beim hierzu komplementären Ne-19 gibt es dagegen eine vollständige Protonenpaarung.

Bei F-17 gibt es eine Protonenspinausrichtung analog zum Kernmodell von F-19 wiederum nur einmal.

Für Na-23 (-21, -22, -23 und -24) paßt das ermittelte Kernmechanische Modell zu der charakteristischen Elektronenkonfiguration eines Alkalimetalls.

KM-Orbitale - Diboran + Benzol

Abbildung der Elektronenverteilung im Wasserstoffmolekel-Ion nach Linus Pauling.
Die Übereinstimmung mit einem gemäß dem Kernmechanischen Modell auf einer Ringbahn um den eigenen (eigentlich leeren) Schwerpunkt rotierenden Elektron ist ziemlich frappierend.

Offenbar ordnen sich die einzelnen doppelt besetzten, radial vom Kern abstehenden Elektronenringe beim Neon mit insgesamt 10 Hüllenektronen jetzt neu zu einem zweiten, den Kern nicht nur umgebenden, sondern als Gruppe umkreisenden 8-Elektronenring - ganz analog zum kernnahen inneren 2-Elektronenring bei der ersten Edelgaskonfiguration von Helium. Man kann sich das so vorstellen, daß der bildlich auf Erddimensionen geweitete innere Elektronenring quasi den Äquator bildet, während der größere, 8-Elektronenring sich auf einer erdfernen Satellitenbahn über die Pole befindet. Jedes Elektron der Gruppe hat dabei einen Winkelabstand von genau 45° zu seinen Nachbarn.

Voraussetzung für die Bildung eines solchen großen Elektronenrings ist in jedem Fall ein (bezogen auf die beteiligten Elektronen) konzentrisch(!) weitgehend homogenes Coulombfeld, was bei radialer Ringanordnung naturgemäß nicht der Fall ist. Eine ähnlich günstige Ladungsverteilung wird bei den aromatischen Kohlenstoff-Verbindungen demgegenüber auch durch die Einbettung der sechs Pi-Elektronen in eine sechseckige Wabenstruktur erreicht, - die beim Graphit darüberhinaus ebenso aus vier Ringelektronen bestehende Ladungsträger möglich macht.

Eine annähernd kugelsymmetrische Elektronenkonfiguration wird erstmals beim Edelgas Argon erreicht, wo ein zweiter 8-Elektronenring, der im Winkel von 90° zum ersten steht, sich mit diesem über den Polen kreuzt (wie auch beim davon abzuleitenden H₂-S-Molekül). Sichtbares Indiz dafür: Beim darauffolgenden Alkalimetall Kalium erscheint die ermittelte Bindungs- bzw. Ionisierungsenergie vergleichsweise auffällig klein!

Beim Lithium ist die Bindungsenergie offenbar nur deshalb wiederum vergleichsweise klein, weil die Protonen sowohl bei Li-6, als auch Li-7 (und folgenden) stets parallel, bzw. antiparallel angeordnet sind und somit auch für das Leuchtelektron eine parallele Spinausrichtung erzwingen. Eine abweichende Protonenkonfiguration - mit einem gleichmäßigen Winkel von 60° (bzw.120°) - gäbe es womöglich jedoch beim zweiten angeregten Zustand von Li-6 (Kernspin 0+) oder - eigentlich noch besser - beim ersten angeregten Zustand (Kernspin 3+) mit einem deformierten Kernring und zwei annähernd (anti-)parallelen Protonenspins, zu denen der dritte dann wiederum fast senkrecht stünde?!

Dennoch, praktikabel sind Messungen bei beiden Kernniveaus nicht, - besitzen diese doch nicht einmal eine Halbwertzeit, sondern lediglich (Zerfalls-)Breiten der Zustände (W=8,2 eV, bzw. 24,8 KeV). Wirklich erfolgversprechend erscheinen aber Messungen der Ionisierungsenergien beim Berylliumisotop Be-10: Dessen Halbwertzeit beträgt immerhin 1,9 x 10⁶ Jahre. Wie man aus dem Kernmechanischen Modell von Be-9 ersehen kann, ist die Winkelabweichung der (annähernd horizontal in der Papierebene liegenden) Spin-Achsen aller vier Protonen mit +/- 3,5° sehr gering, so daß diese de facto alle auf einer Achse liegen. Bei dem eben erwähnten nicht ganz stabilen Berylliumisotop Be-10 ist dies aber definitiv nicht der Fall.

Entweder besteht es im Aufbau, analog zu B-10, ebenfalls aus einer Sandwichstruktur von hier zwei zusammengelagerten He-5-Kernringen; - dann stehen die Protonen-Achsen im Winkel von 72° zueinander. Oder es besteht aus nur einem 8er-Kernring (mit zwei doppelt besetzten Neutronen-Orbitalen). Dann stehen beide Protonenspin-Achsen sogar senkrecht aufeinander, - was in der Folge jetzt ebenfalls für beiden Leuchtelektronen im Verhältnis zu den beiden Schalenelektronen gelten müßte. In diesem Fall sind die Leuchtelektronen somit nicht mehr wie bei Be-9 außerhalb der Edelgasschale relativ locker an den Kern gebunden, sondern annähernd senkrecht zu dieser - mit einer wesentlich größeren Ionisierungsenergie(!) - nunmehr sehr viel enger.

Daß dies tatsächlich so sein muß, kann man mit großer Wahrscheinlichkeit aus der sonstigen guten Übereinstimmung des (Optimierten) Kernmechanischen Modells mit den gemessenen Ionisierungsenergien der Atome schließen. So ist etwa beim Bor das erste Elektron, dessen Spin-Achse annähernd derjenigen der beiden inneren Elektronen entspricht, mit 8,3 eV nur sehr lose an das Atom gebunden, das zweite Elektron, im Winkel von 72° dazu, mit 25,1 eV sehr viel fester; fester sogar als das zweite Elektron des folgenden Elements Kohlenstoff mit 24,4 eV.

Gelten tut das aber nur für die beiden stabilen Isotope B-10 und B-11, die, obwohl verschieden aufgebaut, chemisch äquivalent sind. Das würde auch für B-13 gelten - wenn denn die bislang angegebene Struktur richtig wäre. Sie kann aber allein schon deshalb nicht richtig sein, weil der Kernspin nicht stimmt und darüberhinaus das doppelt besetzte Neutron - rechts - an der angegebenen Stelle nichts zu suchen hat, - vergl. F-21 (mit zusätzlichem, den Spin stabilisierenden 8er-Ring). Bei spinkompensierter Neutronenanordnung, welche aber in der gesamten zuvor zitierten F-19+-Tafel niemals vorkommt, stimmt hingegen das Dipolmoment nicht. -

Im Fall der rechts angegebenen plausiblen neuen B-13-Struktur, mit dem richtigen Kernspin 3/2-, ist hingegen das von Li-11 abweichende (senkrecht stehende) Dipolmoment korrekt, da ja die gleichsinnig orientierten (etwas gegeneinander verdrehten!) äußeren Protonenmomente nunmehr um 0,3 MK reduziert sind. Wenn dies alles zutrifft, sind nun jedoch die (auch für die Hüllenektronen) maßgeblichen Protonenachsen, anders als bei B-10 und B-11, (anti-)parallel orientiert. Dann ist aber die Ionisierunsenergie etwa für das zweite Leuchtelektron in jedem Fall kleiner als bei den beiden stabilen Bor-Isotopen?!

Wirkliche Isotopieunterschiede bei den chemischen Bindungen, die dann sogar die ansonsten feststellbare Entartung der Elemente bezüglich ihrer Neutronenzahl aufheben, sind in der Praxis aber nur bei den tatsächlich stabilen, wenn auch im Vergleich zu den wichtigen Hauptexponenten C-12 und O-16 sehr seltenen Isotopen C-13, bzw. O-17 zu erwarten, - wenn sie denn auf über 90% angereichert sind (!). C-13-Graphit - ohne aromatische Ringelektronen - hätte dann die Eigenschaften von Bornitrid und C-13-Graphen gäbe es in dieser Form überhaupt nicht.

Gerd Schulte

Deutliche Abweichungen der Energieveaus bei mehreren angeregten Zuständen von Li-6, - vor allem aber bei einigen instabilen Isotopen von Bor und Beryllium!?

Altes unzutreffendes Kernmodell von B-13

Neues richtiges Kernmodell von B-13 mit (anti-)parallelen Protonenspin-Achsen