Big Bang HTL 2, Schulbuch

32 Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) Wo die Elektronen wohnen – Orbitale: Der Österreicher Erwin Schrödinger hat das heute gültige Atommodell „erfunden“. Dafür hat er auch 1933 den Physik-Nobelpreis erhalten. Er beschreibt in seinem Modell die Elektronen als Wellen und definiert mathematisch deren Schwingungsräume. Diese Schwingungsräume oder auch Aufenthaltsräume der Elektronen heißen Orbitale. Der österreichische Physiker Er- win Schrödinger entwickelte aus den Erkenntnissen der Quanten- mechanik das wellenmechani- sche Atommodell . Schrödinger betrachtete die Elektronen als 3dimensionale stehende Wellen . Stehende Wellen entstehen durch Überlagerung von 2 gegen- läufigen Wellen mit gleicher Frequenz und gleicher Amplitude. Für uns vorstellbar sind entweder eindimensionale stehen- de Wellen: schwingende Gitarrensaite, schwingendes Seil – oder zweidimensionale stehende Wellen: schwingendes Trommelfell ( F38 ). Eine dreidimensionale stehende Welle kann man sich nicht mehr wirklich gut vorstellen, aber man kann sie mathe- matisch beschreiben. Und das tat Erwin Schrödinger mit seiner berühmten Schrö- dingergleichung. Diese selbst ist zu kompliziert, um sie hier zu erklären – der Mann hat immerhin den Nobelpreis dafür bekommen. Sie kann auch nur für das Wasserstoffatom exakt gelöst werden, für Atome mit mehr als 1 Elektron benötigt man mathematische Näherungsverfahren. Aber das Gute daran ist: Die Lösungen sind wieder relativ an- schaulich. Als Lösungen bekommt man nämlich Räume, die man sich als Aufenthaltsräume (wenn man das Elektron als Teilchen betrachten möchte) oder Schwingungsräume (wenn man das Elektron als Welle betrachten möchte) vorstellen kann. Die ORBITALE . Abb. 2.28: Erwin Schrödinger Was versteht man unter dem Begriff Orbit? Was sind stehende Wellen? Was ist eine eindimen- sionale stehende Welle, was eine zweidimensionale? F37 F38 Abb. 2.29: Stehende Seilwellen Das Wort Orbital kommt vom Wort Orbit, das eine Umkrei- sung von etwas (zB Planet) bezeichnet. Orbitale als Schwin- gungsräume oder Aufenthaltsräume der Elektronen besit- zen verschiedene Formen und wurden je nach Form auch mit verschiedenen Namen benannt. Sie heißen aber nicht Karl oder Elfriede, sondern s, p, d und f. Dabei sind s-Orbita- le kugelförmig, p-Orbitale doppeltropfenförmig und d und f schon sehr kompliziert. In ein Orbital passen aber immer nur maximal 2 Elektronen, egal wie es geformt ist. In Abb. 2.31 sieht man, wie viele Orbitale welcher Form wo im Atom vorkommen. Die Ziffer davor bezeichnet das Haup- tenergieniveau (die Schale) in der das Orbital vorkommt. Ganz unten in der Abbildung würde sich der Kern befinden, je weiter man nach oben wandert, desto weiter außen lie- gen die betreffenden Orbitale. Je weiter nach außen man wandert, desto kleiner werden die energetischen Abstände zwischen den Orbitalen. Man sieht außerdem, dass manche Orbitale mit "höherer" Ziffer energetisch niedriger liegen: z.B. liegt das Orbital 4s energetisch niedriger als das 3d. Die Elektronenverteilung in den Orbitalen bildet sich auch im Periodensystem ab (siehe Kap. 3). Wo die Elektronen genau wohnen – Besetzungsregeln Wenn man nun wissen will, wo sich die Elektronen einzelner Atome befinden, muss man folgende Regeln beachten: 1. Regel vom Energieminimum: energieärmere Orbitale werden zuerst besetzt. 2. Pauli-Prinzip: in ein Orbital passen 2 Elektronen, diese müssen antiparallelen Spin besitzen (Elektronen verhal- ten sich so, als ob sie sich um die eigene Achse drehen würden, daher das Wort Spin. Um die Elektronen in einem Orbital unterscheiden zu können, stellt man ein Elektron mit einem dar und das andere mit .) Abb. 2.30: Unterschiedliche Orbitalformen Abb. 2.31: Anzahl und energetische Anordnung der einzelnen Orbitaltypen im Atom Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv