Sexl Physik 7, Schulbuch

49 | 2.3 Atome mit mehreren Elektronen: Periodensystem Wenn man den Atomkern eines H-Atoms durch den doppelt positiven Kern eines Helium-Atoms ersetzt, dann entsteht ein positives Helium-Ion. Fügt man nun ein zweites Elektron hinzu, so kann sich dieses ebenfalls im 1s-Orbital aufhalten: Der Grundzustand des He-Atoms enthält zwei Elektronen im 1s-Orbital. Dadurch sind beide Elektronen dem Kern nahe und fest gebunden – das Edelgas Helium geht praktisch keine chemischen Bindungen ein, seine Ionisationsenergie ist etwa dop- pelt so groß wie bei atomarem Wasserstoff (siehe 49.2 ). Kann man beliebig viele Elektronen in ein 1s-Orbital eines Atoms setzen? Dies würde bei Lithium zu einem sehr stark gebundenen dritten Elektron führen. Statt- dessen zeigt das Experiment, dass die Ionisationsenergie gering ist und das drit- te Elektron daher nur schwach gebunden ist. w olfGanG p auli erkannte 1925 den Grund, warum sich nicht alle Elektronen eines Atoms im 1s-Orbital aufhalten kön- nen. Er formulierte das Pauli-Prinzip: Pauli-Prinzip Jedes Orbital kann maximal zwei Elektronen aufnehmen. Dieses Prinzip war zunächst nur aus den Atomspektren abgelesen. Als physika- lischer Grund ergab sich, dass Elektronen einen Eigendrehimpuls ( Spin ) besitzen und sich wie kleine Magnetnadeln verhalten, die in einem Orbital nur antiparal- lel ausgerichtet sein dürfen. (Zur universellen Bedeutung des Pauli-Prinzip: siehe Physik 8) Das Periodensystem der Elemente wurde im Jahr 1869 von d Mitri M endeleJew und l othar M eyer unabhängig von einander aufgestellt. Sie ordneten die damals be- kannten 63 Elemente nach den Atommassen und fassten chemisch ähnliche Ele- mente wie etwa Lithium, Natrium und Kalium zu Gruppen zusammen. Da diese Gruppen Lücken aufwiesen, begann eine gezielte Suche nach weiteren Elementen, deren Eigenschaften weitgehend vorausgesagt werden konnten. Statt nach der Mas- se ordnet man heute die Elemente nach der Kernladungszahl oder Ordnungszahl Z . Den Aufbau des Periodensystems der Elemente können wir nun im Prinzip verste- hen. Beim Übergang von einem Element zum nächsten wird jeweils ein Elektron in der Hülle hinzu gefügt. Dies kann nur in einem unvollständig besetzten Orbital erfolgen. Aufbau der leichtesten Elemente Wasserstoff Das einzige Elektron befindet sich im 1s-Orbital. Helium Beide Elektronen sind im 1s-Orbital. Lithium Das dritte Elektron muss sich im 2s-Orbital befinden. Dieses Orbital ist wesentlich größer als das 1s-Orbital, das Elektron ist im Mittel weiter vom Kern entfernt und daher nur schwach gebunden. Daher kann Lithium in chemischen Reaktionen leicht ein Elektron an den Reaktionspartner abgeben. Beryllium Ein weiteres Elektron wird im 2s-Orbital untergebracht, das damit vollständig besetzt ist. Bor, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Fluor, Neon: Schrittweise werden die sechs Plätze in den drei 2p-Orbitalen aufgefüllt. Bei Neon sind alle 2s- und 2p-Orbitale besetzt und eine besonders stabile Struktur, die Edelgaskonfiguration, ist erreicht. Weitere Elektronen müssen in höheren Orbitalen untergebracht werden. Dabei ma- chen sich die Kräfte zwischen den Elektronen bemerkbar, die wir bisher vernach- lässigt haben. Dies führt zur Bildung der Nebengruppen, die zahlreiche wichtige Metalle enthalten. Das Periodensystem kann auf diese Weise durch die Quantentheorie erklärt wer- den. Die relativ einfache Struktur der Atomhüllen ermöglicht die ungeheure Fülle chemischer Verbindungen und Reaktionen. 49.1 w olFgang P auli (1900 Wien –1958 Zürich) galt als mathematisches Wunderkind. Mit 20 Jahren schrieb er einen wissenschaftlichen Übersichtsartikel über die Allgemeine Relati- vitätstheorie, mit 25 Jahren formulierte er das Pauli-Prinzip. Als scharfen Kritiker nannte man ihn das „Gewissen der Physik“. 0 5 10 15 20 25 E in eV 0 15 30 45 60 75 90 Z He Ne Li B Na Al Ar K Ga Kr In Xe Tl Rn 49.2 Die Ionisationsenergien zeigen die Schalenstruktur der Elektronenhülle der che- mischen Elemente. Helium weist die höchste Ionisationsenergie auf und bildet keine Verbin- dungen mit anderen Elementen. Das zweite 2s-Elektron von Beryllium ( Z = 4) ist stärker gebunden als das 2s-Elektron des Lithium, mit Bor beginnt der Aufbau der 2p-Orbitale. Lexikon Im Periodensystem der Elemente (PSE) werden die chemischen Elemente zeilen- weise in Perioden und spaltenweise in Gruppen angeordnet. Die Nummer der Pe- riode entspricht der Hauptquantenzahl. Die Elemente einer Spalte haben gleich viele Valenzelektronen in den höchsten Or- bitalen, die an chemischen Bindungen teil- nehmen können. Diese Elemente haben ähnliche chemische Eigenschaften und bil- den jeweils eine Gruppe. Bei Elementen der Hauptgruppen befinden sich die äußeren Elektronen in s-, bzw. p- Orbitalen. In den Nebengruppen werden d-, bzw. f- Orbitale der vorangegangenen Periode ge- füllt. Nur zu Prüfzw cken – Eige tum des Verlags öbv