Die Welt – das ist im Sinne des Chemikers eine Ansammlung von Atomen und Molekülen. Alle Dinge bestehen daraus, und schon 500 Jahre vor Christi Geburt kannte man das Gedankenexperiment, einen Stoff in immer kleinere Teile zu zerschneiden, bis man schließlich zu einem Teilchen – dem atomos – kommt, das sich nicht mehr teilen läßt. Heute weiß auch der Laie, spätestens seit Hiroshima, daß die Atome keineswegs unteilbar sind, daß man sie vielmehr weiter spalten kann. Für den Chemiker ist diese Eigenschaft der Atome indes viel weniger wichtig als ihre Fähigkeit, sich zu größeren Verbänden, den Molekülen, zu vereinigen. Erst dadurch nämlich wird die Vielfalt der uns umgebenden Welt möglich: während es nur etwas mehr als hundert Atomarten gibt, ist die Zahl der verschiedenen Molekülarten, die sich daraus konstruieren lassen, kaum noch zu übersehen, und täglich werden in chemischen Laboratorien überall auf der Erde weitere neue Moleküle synthetisiert.

Wie kommt es, daß sich Atome in so vielfältiger Weise zu haltbaren und manchmal sogar bei höchsten Temperaturen beständigen Gebilden zusammenschließen können?

Von jeher hat diese Frage den Chemiker fasziniert, und jede Generation hat versucht, in ihrer Sprache und aus ihrem Wissen heraus darauf eine Antwort zu geben. Zu den großen Theoretikern und Experimentatoren unserer Zeit, die sich diesem Problem gewidmet haben, gehört der heute 70jährige Amerikaner Robert Sanderson Mulliken, dem am Donnerstag vergangener Woche der Chemie-Nobelpreis für die Entwicklung der Molekülorbital-Theorie und seine Arbeiten über chemische Bindungen zuerkannt wurde.

Was ist ein Molekülorbital? Um das zu erklären, müssen wir beim Atom beginnen. Jedes Atom besteht aus einem Kern, der von einer verhältnismäßig lockeren Hülle von Elektronen umgeben ist. Diese Elektronen sollten – gemäß einer Theorie des Dänen Niels Bohr – auf Bahnen um den Atomkern kreisen, etwa so wie die Planeten um die Sonne. Später stellte sich heraus, daß die Vorstellung einer kreisenden Bewegung mit den Ergebnissen der Experimente nicht zu vereinbaren ist, weshalb man davon abgehen mußte, die Idee der unterschiedlichen räumlichen Verteilung der Elektronen aber beibehielt, wenngleich in etwas veränderter Form. Heute spricht man von einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in kugel-, schalen- oder ungefähr hanteiförmigen Bereichen in der Umgebung des Atomkerns, und diese Bereiche nennt man mit einem Wort aus der englischen Sprache "Orbitale".

Jedes Elektron hat also sein Orbital, manchmal teilen sich auch zwei Elektronen in einen solchen Bereich, aber mehr als zwei können es gemäß einer Regel des österreichischen Physikers Pauli nie sein. Die Orbitale haben nicht nur verschiedene Gestalt, sie unterscheiden sich auch in ihrem Energieinhalt, etwa so wie ein Stein eine um so größere potentielle Energie hat, je höher man ihn hebt.

Wenn nun zwei Atome ein Molekül bilden, so müssen sie sich zunächst einander nähern, sie müssen zusammenstoßen. Ist dieser Zusammenstoß heftig genug, so durchdringen sich die Elektronenhüllen teilweise oder mit den Worten des Chemikers: die Orbitale überlappen sich. Ein Elektron, das ursprünglich dem Atom A angehörte, gerät dadurch in den Einflußbereich des Atoms B und umgekehrt, und schließlich wird es völlig unmöglich, das einzelne Elektron noch einem bestimmten Atom zuzuordnen. Vielmehr befinden sich beide Atome A und B zum Schluß in einer gemeinsamen Elektronenwolke. Man kann auch sagen: die beiden Atomorbitale haben sich zu einem neuen Aufenthaltsbereich für die zwei Elektronen verschmolzen, der das ganze Molekül umzieht und den man daher Molekülorbital nennt.

Interessant und für die Molekülbildung entscheidend ist nun die Tatsache, daß das Molekülorbital energetisch niedriger liegt als die beiden Atomorbitale. In einem sehr vergröberten Bild könnte man sagen, die Atomorbitale entsprechen der Spitze eines Berges, das Molekülorbital der Ebene, aus welcher der Berg sich erhebt, und bei der Bildung eines Moleküls aus zwei Atomen "rollen" die Elektronen aus den Atomorbitalen in das Molekülorbital, ähnlich wie eine Kugel von der Spitze eines Berges ins Tal rollt. Wenn eine Kugel das tut, setzt sie Energie frei. Man erkennt das zum Beispiel daran, daß sie ein Glas zerschlagen kann, das ihr im Weg steht.