Quantum mechanics in chemistry class: the linear and the cyclic particle in a box model applied to dyes and aromats

Aus der heutigen Realität der Chemie ist die Quantenmechanik nicht mehr wegzudenken. Quantenmechanische Programmpakete ermöglichen Berechnungen in vielen Bereichen der Chemie sowie in den Material‐ und Ingenieurwissenschaften. Zweifellos ist die Quantenmechanik Teil der universitären Ausbildung, nichtsdestotrotz ist es möglich, ihre Grundzüge im Chemieunterricht der Sekundarstufe II zu behandeln. Dabei können die Prinzipien anhand von Systemen veranschaulicht werden, die bereits Teil der Curricula im Fach Chemie sind. Das hier besprochene, allgemein bekannte lineare Kastenmodell wird mit anderem Fokus, aber in ähnlicher, Tiefe standardmäßig im Physikunterricht der Sekundarstufe II behandelt. Es überfordert Schülerinnen und Schüler also grundsätzlich nicht. Dieses Modell erlaubt es die Prinzipien der Quantenmechanik einfach darzustellen und ist näherungsweise anwendbar auf lineare und zyklische konjugierte π ‐Systeme. Die Näherung beinhaltet, dass im Kasten die potenzielle Energie null ist, während die potenzielle Energie der Atome tatsächlich durch ein periodisches Coulomb‐Potenzial gegeben ist. Die hier benutzte Näherung bezieht sich also auf die Anwendung der exakten quantenmechanischen Lösung für das einfache Kastenmodell auf kompliziertere Moleküle. Unterschiede in der Elektronenverteilung, die sich zwischen dem Kastenmodell und dem periodischen Coulomb‐Potenzial ergeben, werden diskutiert.