Sexl Physik 7, Schulbuch

3.3 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 1 s-Orbital aufhalten: Der Grundzustand des He-Atoms enthält zwei Elektronen im 1 s-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 ( 110.2 ). Kann man beliebig viele Elektronen in ein 1 s-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 dritte Elektron daher nur schwach gebunden ist. W OLFGANG P AULI erkannte 1925 den Grund, warum sich nicht alle Elektronen eines Atoms im 1 s-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 physikali- scher Grund ergab sich, dass Elektronen einen Eigendrehimpuls ( Spin ) besitzen und sich wie kleine Magnetnadeln verhalten, die in einem Orbital nur antiparallel 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 voneinander 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 Masse ordnet man heute die Elemente nach der Kernladungszahl oder Ordnungs- zahl Z . Den Aufbau des Periodensystems der Elemente können wir nun im Prinzip verstehen. Beim Übergang von einem Element zum nächsten wird jeweils ein Elek- tron in der Hülle hinzugefügt. Dies kann nur in einem unvollständig besetzten Or- bital erfolgen. Aufbau der leichtesten Elemente Wasserstoff Das einzige Elektron befindet sich im 1 s-Orbital. Helium Beide Elektronen sind im 1 s-Orbital. Lithium Das dritte Elektron muss sich im 2 s-Orbital befinden. Dieses Orbital ist wesentlich größer als das 1 s-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 2 s-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 2 s- und 2p-Or- bitale 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 weiterer Gruppen, 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. 110.1 W OLFGANG P AULI (1900 Wien –1958 Zürich) galt als mathematisches Wunderkind. Mit 20 Jahren schrieb er einen wissenschaftlichen Übersichtsartikel über die Allgemeine Relativi- tätstheorie, 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 110.2 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 2 s-Elektron von Beryllium ( Z = 4) ist stärker ge- bunden als das 2 s-Elektron des Lithium, mit Bor beginnt der Aufbau der 2p-Orbitale. Lexikon Im Periodensystem der Elemente (PSE) werden die chemischen Elemente zeilenweise in Perioden und spaltenweise in Gruppen an- geordnet. Die Nummer der Periode entspricht der Hauptquantenzahl. Die Elemente einer Spalte haben gleich viele Valenzelektronen in den höchsten Orbitalen, die an chemischen Bindungen teilnehmen können. Diese Elemente haben ähnliche chemische Eigenschaften und bilden jeweils eine Gruppe. 110 ATOMPHYSIK Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv