EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Elektronenkonfiguration 20 20 Elektronenkonfiguration Die genaue Zuordnung der Elektronen in die Orbitale – mit Hochzahlen für die entsprechende Elektronenanzahl – nennt man Elektronenkonfiguration. Prinzipien der Orbitalbesetzung Bei jedem Atom werden die in 1.4 besprochenen Orbitale mit Elektronen be- setzt. Diese Elektronenbesetzung im Grundzustand erfolgt nach folgenden drei Prinzipien: 1. Energieprinzip : Energieärmere Orbitale werden zuerst besetzt, das 1s-Orbi- tal wird daher vor dem 2s-Orbital besetzt. 2. Pauli-Ausschließungsprinzip : Es dürfen keine zwei Elektronenzustände in einem Atom in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen. 3. Hund’sche Regel (nach dem deutschen Physiker Friedrich Hund) : Energie- gleiche Orbitale werden zunächst einfach mit Elektronen besetzt. Diese Elektronen haben einen parallelen Spin. Erst wenn alle energiegleichen Or- bitale einfach besetzt sind, kommt es zur Ausbildung von Elektronenpaaren (doppelt besetzten Orbitalen) mit gegenläufigem Spin. Von den Quantenzahlen zum Orbitalmodell Abb. 17–3 zeigte die nach dem Pauli-Ausschließungsprinzip möglichen Kombi- nationen von Quantenzahlen. In der Praxis verwendet man anstelle der Quantenzahlen, Orbitalbezeichnun- gen, die aus der Hauptquantenzahl (Angabe der Sphäre) und der „übersetz- ten“ Nebenquantenzahl (Art des Orbitals) bestehen (Abb. 20–1). Diese Orbitale werden nach der Pauling-Schreibweise – benannt nach Linus Pauling – graphisch als Kästchen oder Striche in einem Diagramm, das auf der y-Achse das Energieniveau qualitativ zeigt, dargestellt. Die Magnetquantenzahl gibt die Anzahl energiegleicher „Kästchen“ an. Die Elektronen zeichnet man als (gegenläufige) Pfeile auf diesen „Orbitalstrich“, zur Symboliserung der Spin- quantenzahl. Ein Orbital fasst maximal zwei Elektronen, die sich im Spin unter- scheiden. Abb. 20–4 zeigt so die Elektronenverteilung bei Stickstoff. Erstellung der Elektronenkonfiguration Man schreibt die Orbitale an, die mit Elektronen besetzt sind. Die Anzahl der Elektronen gibt man als Hochzahl bei der Orbitalbezeichnung an. Das s-Orbital pro Sphäre fasst daher maximal 2 Elektronen, die p-Orbitale pro Sphäre fassen daher maximal 6 Elektronen, die d-Orbitale pro Sphäre maximal 10 Elektronen und die f-Orbitale pro Sphäre maximal 14 Elektronen (Überblick der Orbitale siehe Abb. 20–3). Die Summe der Hochzahlen, gibt die Anzahl der Elektronen an und entspricht bei neutralen Atomen der Ordnungszahl. Beispiele Elektronenkonfiguration für den in Abb. 20-4 dargestellten Stickstoff: N: 1s 2 2s 2 2p 3 (sprich: eins s zwei, zwei s zwei, zwei p drei) Zur Reihenfolge der Orbitalbesetzungen siehe Abb. 021–1. Weitere Beispiele: Z = 18 Ar: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Z = 17 Cl: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Z = 13 Al: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Z = 12 Mg: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 Z = 10 Ne: 1s 2 2s 2 2p 6 Z = 8 O: 1s 2 2s 2 2p 4 Z = 6 C: 1s 2 2s 2 2p 2 Z = 3 Li: 1s 2 2s 1 Z = 2 He: 1s 2 Z = 1 H: 1s 1 Abb. 020–1: Orbitalbezeichnungen Abb. 020–4: Orbitalbesetzung beim N-Atom Abb. 020–3: Überblick der Orbitale H ................... 1 s 1 Haupt- quanten- zahl Neben- quanten- zahl Abb. 020–2: Wolfgang Pauli (1900 – 1958) möglich ab Späre Nummer Anzahl energie- gleicher Orbitale maximale Elektronenzahl f 4 7 7 . 2 = 14 d 3 5 5 . 2 = 10 2 3 3 . 2 = 6 p s 1 1 1 . 2 = 2 Orbitale 1s 2s 3s 2p 3p 4s 4p 3d 1s 2s 3s 2p 3p 4s 4p 3d Abb. 020–5: Orbitalbesetzung beim K-Atom 1s 2 2s 2 2p 3 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 1s 2s 3s 2p 3p 4s 4p 3d Abb. 020–6: Orbitalbesetzung beim Ge-Atom 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv