Elemente und Moleküle, Schulbuch

18 1 AtoMBAU UND PeRIoDeNSYSteM Elektronenkonfiguration Die genaue Zuordnung der Elektronen in die Orbitale – mit Hochzahlen für die ent - sprechende Elektronenanzahl – nennt man Elektronenkonfiguration. (Abb. 18.2) Man besetzt die Orbitale mit dem energieärmsten Zustand beginnend entsprechend dem Pauli-Ausschließungsprinzip. (Siehe Abbildung 18.1) H: 1s 1 He: 1s 2 Li: 1s 2 2s 1 … C: 1s 2 2s 2 2p 2 … O: 1s 2 2s 2 2p 4 … Ne: 1s 2 2s 2 2p 6 Da die Elektronen der inneren Sphäre für die chemische Bindung keine Rolle spielen, wird die Elektronenkonfiguration auch in abgekürzter Form geschrieben. Allgemein schreibt man das letzte Element [= Edelgas] der vorhergehenden Periode in eckiger Klammer und führt nur mehr die in der jeweiligen Periode dazukommenden Elekt- ronen an. Li: [He]2s 1 ……......................…… Ne: [He]2s 2 2p 6 Na: [Ne]3s 1 Mg: [Ne]3s 2 ... P: [Ne]3s 2 3p 3 ... Cl: [Ne]3s 2 3p 5 Ar: [Ne]3s 2 3p 6 Je größer die Hauptquantenzahl n ist, desto geringer wird der Energieabstand zwi- schen den Sphären. Das führt zu „Unregelmäßigkeiten“. Bereits in der 3. Sphäre ist das höchste Energieniveau 3d energetisch höher liegend als das tiefste der 4. Sphä- re 4s. (Abb. 18.3) Daraus ergibt sich, dass das 4s-Orbital vor den 3d-Orbitalen besetzt wird. Es beginnt daher im Periodensystem eine neue Zeile. K: [Ar] 4s 2 Ca: [Ar] 4s 2 Sc: [Ar] 4s 2 3d 1 ............. Ga: [Ar] 4s 2 3d 10 4p 1 Die Besetzung der f-Orbitale erfolgt erst in der 6. Periode. Die Abbildung 18.4 zeigt die Besetzung der Orbitale in der entsprechenden Periode. Mit Hilfe dieses Schemas kann man die Elektronenkonfiguration von allen Elementen angeben. zB: Pb: [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 2 Valenzelektronen Als Valenzelektronen bezeichnet man die Elektronen, die für die chemischen Eigen- schaften entscheidend sind. Valenzfähig sind alle s- und p-Elektronen der letzten Sphäre und Elektronen von nicht vollbesetzten d- und f-Orbitalen. Die s- und p- Elek - tronen nennt man auch Außenelektronen. Nicht valenzfähige Elektronen werden bei der Elektronenkonfiguration eingeklammert. zB: Pb: [Xe] 6s 2 (4f 14 5d 10 ) 6p 2 dh. Blei besitzt 4 Valenzelektronen. Die Einerstelle der Gruppennummer im PSE gibt die maximale Anzahl der Valenz- elektronen an. (Ausnahme: 10. und 11. Gruppe) Die Atome nützen allerdings nur maximal 8 ihrer Valenzelektronen. Die Hund´sche Regel Die Hund´sche Regel (nach Friedrich Hund 1896–1997) besagt, dass energiegleiche Orbitale zuerst einfach besetzt werden. Erst wenn alle energiegleichen Orbitale einfach besetzt sind, kommt es zur Ausbildung von Elektronenpaaren (doppelt be- setzten Orbitalen). Da sowohl die einfache Besetzung der energiegleichen Orbitale, als auch die volle Besetzung der Orbitale einen energetisch günstigen Zustand darstellen, kommt es zu einigen Abweichungen bei der Orbitalbesetzung. So wird der d 5 Zustand bzw. der d 10 Zustand auf „Kosten“ eines s-Elektrons erreicht. Beispiele: Cr: [Ar] 4s 1 3d 5 statt: 4s 2 3d 4 oder Cu: [Ar] 4s 1 3d 10 statt: 4s 2 3d 9 Bei diesen Ausnahmen ist die Angabe von valenzfähigen Elektronen nicht mehr so eindeutig. n l m s 1 3 1 0 -1 2 1 0 -1 -2 2 0 2 Elektronen 8 Elektronen 18 Elektronen = 2 • 1 2 = 2 • 2 2 = 2 • 3 2 2 • n 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 + 1 2 – 1 2 0 + 1 2 – 1 2 0 0 1 1 2 0 0 1 0 -1 H ................... 1 s 1 Haupt- quanten- zahl Neben- quanten- zahl s p d f 5 6 7 S p h ä r e n 4 3 2 1 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 4f 5f Abb. 18.3: Die Energieniveaus Abb. 18.2: Quantenzahlen und Elektronenkonfiguration Abb. 18.1: Quantenzahlen und Elektronen Abb. 18.4: Schachbrettregel zur Bestimmung der energetischen Abfolge der Energieni- veaus (zeilenweise lesen) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv