Big Bang 7, Schulbuch

76 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Atomphysik schreibung sind in diesem Fall vier Quantenzahlen notwen- dig. Die Hauptquantenzahl n und die Drehimpulsquanten- zahl l legen die Energie des Elektrons fest (Abb. 34.26, S. 75). Info: Die vier Quantenzahlen Die vier Quantenzahlen Die Bezeichnungen der Quantenzahlen haben historische Gründe, die noch auf das Bohr’sche Atommodell zurückge- hen (Kap. 34.1, S. 66). Beim Verwenden dieser Begriffe muss man sich im Klaren sein, dass ein Orbital stationär ist und sich das Elektron nicht in irgendeiner Form um den Kern bewegt. Man unterscheidet vier verschiedene Quantenzah- len . 1) Die Hauptquantenzahl n Sie legt fest, in welcher Schale sich das Elektron befindet. Die ersten vier Schalen werden auch mit den Buchstaben K, L, M und N bezeichnet. Den eindimensionalen Fall der Hauptquantenzahl siehst du in Abb. 34.17, S. 71. 2) Die Drehimpulsquantenzahl l Sie liefert den Betrag des Drehimpulsvektors des Elektrons. Die Bezeichnung geht noch auf die falsche Annahme zurück, dass sich Elektronen um den Kern bewegen. Aus historischen Gründen bezeichnet man die Orbitale je nach ihrer Drehimpulsquantenzahl noch zusätzlich mit einem Buchstaben: l = 0 … s -Orbital l = 1 … p -Orbital l = 2 … d -Orbital l = 3 … f -Orbital Es gilt l < n . Wenn also n = 1 ist, dann gibt es nur ein s-Or- bital, bei n = 2 ein s- und ein p-Orbital ( l = 0 bzw. l = 1) und so weiter (siehe auch Tab. 34.3). 3) Die magnetische Quantenzahl m Sie beschreibt die Drehimpulskomponenten in eine be- stimmte Richtung. Vereinfacht kann man sagen: n und l legen die Form des Orbitals fest, m dessen Lage im Raum (siehe Abb. 34.27). Es gilt: m ≤ l . 4) Die Spinquantenzahl s Sie gibt den Eigendrehimpuls des Elektrons an und kann nur zwei Werte annehmen, nämlich ± 1 __ 2 . i Abb. 34.27: Die drei möglichen Orbitale für n = 2 und l = 1: Es handelt sich also um die 2p-Orbitale. Abb. 34.28: Mit Hilfe der Schachbrettregel kannst du dir die Reihenfol- ge merken, mit der sich die Orbitale auffüllen. Sie liefert zwar keine Erklärung, ist aber eine prima Eselsbrücke. Du musst dazu von unten beginnend Zeile für Zeile von links nach rechts lesen. Diese Reihenfolge entspricht dann der in Abb. 34.26 b, S. 75. Die Elemente dieses Universums unterscheiden sich durch die Anzahl der Protonen ( F16 ). Die Zahl der Elektronen und Protonen ist pro Element immer gleich groß – Atome sind ja nach außen elektrisch neutral. Für die chemischen Eigenschaften sind nur die Elektronen bedeutend. Will man also die Merkmale eines Elements wissen, muss man An- zahl und Energien seiner äußeren Elektronen kennen. Info: Valenzelektronen Die Energien der Elektronen kann man mit Hilfe der Schrö- dingergleichung berechnen. Exakt lassen sich diese aber nur für Wasserstoff ermitteln (Abb. 34.19, S. 72). Bereits ab Helium ist man auf Näherungen angewiesen. Das liegt aber nicht an der Unfähigkeit der Physiker, sondern an der Kom- plexität der dazu nötigen Gleichungen. Valenzelektronen Als Valenzelektronen bezeichnet man jene Elektronen, die für die chemischen Eigenschaften des Elements entschei- dend sind. Valenzfähig sind alle s- und p-Elektronen der äußersten Schale und Elektronen von nicht vollbesetzten d- und f-Orbitalen. In Summe kann ein Element maximal 8 valenzfähige Elektronen besitzen ( F17 ). Sehen wir uns dazu die Elektronenkonfiguration an. Wasserstoff hat ein Elektron am 1s-Orbital. Man schreibt daher H: 1s 1 . Die Hoch- zahl gibt die Anzahl der Elektronen im entsprechenden Orbital an. Um die Schreibweise zu vereinfachen, schreibt man bei höheren Elementen das letzte Element der vorherigen Zeile (Periode) in eckige Klammer, weil ja dessen Elektronen nicht mehr valenzfähig sind. Für Lithium schreibt man also nicht 1s 2 2s 1 , sondern [He]2s 1 . Wie viele Valenzelektronen hat Blei? Das letzte Element der vorherigen Periode ist Xenon. Daher schreibt man Pb: [Xe]6s 2 (4f 14 5d 10 )6p 2 . Weil f- und d-Orbital abgeschlossen sind, sind die Elektronen nicht valenzfähig und daher eingeklam- mert. Blei hat somit 4 Valenzelektronen (siehe Abb. 34.29). i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv