Praktikum 3D Modellierung: Elektronenorbitale

Die folgende Animation “Elektronenorbitale” wurde im Rahmen des Praktikums 3D Modellierung mit Blender im Wintersemester 12/13 von Tabea Waizmann erstellt.

Die Idee ist, eine künstlerische Interpretation des Elektronenorbitalmodells aus der
Chemie zu modellieren.
Gegen eine absolut chemisch-physikalisch korrekte Darstellung habe ich mich bewusst
entschieden, da die Orbitale sich in ihrer tatsächlichen Form noch viel mehr überlappen –
das wird schnell unübersichtlich, das Ziel meines Projekts ist allerdings, die
dreidimensionale Struktur der Elektronenverteilung und damit auch die potentiellen
Bindungswinkel möglichst gut erkennbar darzustellen.
Es werden die Elektronenorbitale aller Elemente vom Wasserstoff bis zum Kohlenstoff
gezeigt. Das Anwachsen des Kerns wird dabei im Modell ignoriert, da der Fokus auf den
Elektronenorbitalen liegt – es soll davon ausgegangen werden, dass der Kern
automatisch mitwächst und immer die passene Anzahl Protonen enthält.
Die Animation startet mit einer einfachen Darstellung des Wasserstoffatoms (ein
Proton, um das ein einzelnes Elektron kreist). Die Kreisbewegung kippt in die dritte
Dimension und bald wird das Elektron statt durch eine kreisende Kugel durch eine
halbtransparente, kugelförmige Hülle um den Kern dargestellt – das erste
Elektronenorbital. Dies ist der Bereich, in dem sich das Elektron bewegt, und da der
genaue Aufenthaltsort eines Elektrons nicht bestimmt werden kann, ist diese
Darstellung als Blase oder Wolke um den Atomkern zutreffender als die des kreisenden
Elektrons.
Da ein Orbital zwei Elektronen aufnehmen kann, taucht das zweite Elektron einfach in
die schon vorhandene Hülle ein, die Zunahme der Elektronendichte wird dabei durch
eine Verringerung der Transparenz dargestellt.
Das Dritte Elektron erzeugt eine neue kugelförmige Hülle um die erste herum – das
zweite Orbital.
Erst beim fünften Elektron weicht die Struktur von der Kugelform ab – Bor hat als erstes
Element nicht nur die kugelförmigen s-Orbitale, sondern auch ein hantelförmiges
p-Orbital. Insgesamt gibt es drei p-Orbitale, die wie die Achsen eines dreidimensionalen
Koordinatensystems angeordnet sind, von diesen ist nun nur eines gefüllt. Das ist nicht
optimal. Da das zweite s-Orbital zur gleichen Schale gehört wie das p-Orbital, können
sich die beiden Orbitale vermischen (Hybridisierung genannt). Das geschieht auch: Die
Elektronen ordnen sich in drei sp²-Hybridorbitale um, das letzte übriggebliebene
p-Orbital bleibt unbesetzt.
Da die Hybridorbitale nur auf einer Seite herausragen und dadurch kompakter wirken,
habe ich mich entschieden, sie (auch zwecks Unterscheidung) weniger transparent
darzustellen als die p-Orbitale.
Das letzte Elektron, das den Übergang zum Kohlenstoff markiert, füllt nun das
übriggebliebene p-Orbital aus.
Der Kohlenstoff ist besonders interessant: Er kann je nach Bedarf eine von drei
verschiedenen Elektronenkonfigurationen einnehmen. In diese formt sich das Modell
also jetzt nacheinander um, während die Kamera um das Atom kreist, um es aus allen
Perspektiven zu zeigen.
Schlussendlich werden die verschiedenen Hybridisierungen des Kohlenstoffs noch in
verschiedenen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen gezeigt, um den Zweck der
verschiedenen Konfigurationen und die resultierenden Bindungswinkel zu zeigen.

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