Ermittlung der Elektronenkonfiguration

Ermittlung der Elektronenkonfiguration Übung

• Vervollständige das Orbital-Energie-Schema.

  Tipps

  Die Abfolge der Orbitale einer Schale ist s-p-d-f-...

  Lösung

  Die Elektronen eines Atoms liegen in Orbitalen vor, die sich in ihrem Energieniveau unterscheiden. Die Orbitale lassen sich den Schalen zuordnen. Diese tragen die Bezeichnungen K, L, M, N und so weiter. Die Anzahl der Orbitale pro Schale steigt dabei von Schale zu Schale um zwei an.

  Die Schalen lassen sich auch mit Hilfe der Hauptquantenzahl n beschreiben. Orbitale werden mit dieser Hauptquantenzahl und einer Bezeichnung für die Art des Orbitals benannt. Diese Bezeichnungen sind s, p, d, f, und so weiter. Das Orbital der K-Schale wird demnach mit 1s bezeichnet. In der L-Schale befinden sich die Orbitale 2s und 2p, die M-Schale umfasst die Orbitale 3s, 3p und 3d. In der N-Schale befinden sich die Orbitale 4s, 4p, 4d und 4f. Als Besonderheit sollte man sich hier merken, dass das 4s-Orbital energetisch niedriger liegt als das 3d-Orbital. Das Gleiche gilt für das 4d- und 5s-Orbital. Das ist der Grund, warum die Nebengruppen im Periodensystem zwischen der zweiten und dritten Hauptgruppe liegen.

• Bestimme die Art der äußeren Orbitale.

  Tipps

  Die Nebengruppenelemente werden auch als d-Block-Elemente bezeichnet.

  Lösung

  Das Periodensystem der Elemente ist so aufgebaut, dass man auf einen Blick erkennen kann, welcher Art die äußeren Orbitale sind. Der erste Block wird von den s-Elementen gebildet. Diese umfassen pro Schale (= Periode) zwei Elemente.

  Die Elemente, die p-Orbitale als äußere Orbitale haben, liegen rechts davon. Dazwischen liegen die d-Elemente, da die s-Orbitale der höheren Schalen energetisch niedriger liegen als die d-Orbitale der davor liegenden Schale. Es wird also zunächst das 4s-Orbital gefüllt, bevor die 3d-Orbitale gefüllt werden. Dies gibt die Anordnung der Blöcke im Periodensystem wieder.

  Das Helium wird getrennt vom restlichen s-Block ganz rechts oben eingetragen. Dies zeigt seine Zugehörigkeit zu den Edelgasen, bei denen die jeweilige Schale vollständig gefüllt ist.

  Die f-Elemente werden häufig unter dem restlichen Periodensystem dargestellt. Eigentlich gehören sie jedoch zwischen La und Hf bzw. Ac und Rf. Dies entspricht der energetischen Lage der f-Orbitale.

• Charakterisiere die Art des äußersten Orbitals.

  Tipps

  Schaue im Periodensystem nach, in welcher Gruppe das Element steht.

  Die Farben der Elementsymbole entsprechen den Farben der Blöcke im Periodensystem.

  Lösung

  Die Einteilung der Elemente im Periodensystem in die Blöcke hilft dir dabei herauszufinden, welcher Art das äußerste Orbital eines Elementes ist. Meist sind die Blöcke auch entsprechend eingefärbt, so dass dies auf den ersten Blick zu erkennen ist.

  Du musst also nur das entsprechende Element im Periodensystem finden. Anschließend überlegst du, welche Orbitale in diesem Block die äußeren sind. Bei den Metallen Gold und Cobalt sind dies die d-Orbitale. Beim Kalium ist das 4s-Orbital das äußerste und beim Phosphor ein 3p-Orbital.

  Das Samarium ist ein Seltenerdmetall oder Lanthanoid. Das äußerste Orbital ist daher ein 4f-Orbital.

• Analysiere, in welchen Quantenzahlen sich die Orbitale unterscheiden.

  Tipps

  Wenn es nur eine magnetische Quantenzahl gibt, kann sich diese bei zwei Orbitalen mit der gleichen Nebenquantenzahl nicht unterscheiden.

  Lösung

  Der Zustand eines Elektrons lässt sich mit Hilfe der vier Quantenzahlen eindeutig beschreiben. Das heißt, zu jedem Elektron eines Atoms gehört genau eine Kombination der vier Quantenzahlen. Die Hauptquantenzahl gibt die Schale an, in der sich das Elektron befindet. Diese unterscheidet sich bei den beiden angegebenen Elektronen: Das 3s-Orbital ist in der M-Schale (n=3), das 5s-Orbital in der O-Schale (n=5). Da es sich bei beiden Orbitalen um s-Orbitale handelt, unterscheidet sich die Nebenquantenzahl nicht (l=0).

  Die s-Orbitale sind nicht energetisch entartet, das heißt, es gibt keine zwei s-Orbitale mit gleicher Energie. Daher gibt es bei s-Orbitalen nur eine magnetische Quantenzahl (m=0). Auch hier unterscheiden sich das 3s- und das 5s-Orbital nicht.

  Da es sich jedoch um Elektronen mit einem Spin von $1 \over 2$ und $=-{{1} \over {2}}$ handelt, unterscheiden sich die Elektronen in ihrer Spinquantenzahl.

  Die oben angegebenen Elektronen lassen sich also mit folgenden Quantenzahlen eindeutig beschreiben:

  • n = 3, l = 0, m = 0, s = ${{1} \over {2}}$ und
  • n = 3, l = 0, m = 0, s = $-{{1} \over {2}}$.

• Benenne die Hauptgruppen des Periodensystems der Elemente.

  Tipps

  In Halogenlampen ist Iod enthalten.

  Lösung

  Elemente, die untereinander stehen, haben oft ähnliche Eigenschaften. Da schon früh aufgefallen ist, dass sich diese Eigenschaften der Elemente periodisch wiederholen, wurden die Elemente dementsprechend aufgelistet – so entstand das Periodensystem der Elemente. Die ähnlichen Eigenschaften hängen mit einer ähnlichen Elektronenkonfiguration der Elemente zusammen.

  Schon früh wurden daher die Elemente zu Gruppen zusammengefasst und nach bestimmten Eigenschaften benannt. Alkalimetalle sind Metalle und bilden stark alkalische Verbindungen, ebenso die Erdalkalimetalle. Die Namen Erdalkalimetalle und Erdmetalle weisen darauf hin, dass diese Elemente häufig in Erzen (früher auch Erden genannt) gefunden werden können.

  Der Name Chalkogene stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie Erzbildner. Dies deutet bereits darauf hin, dass es sich bei den Erzen von Metallen um Verbindungen mit Elementen aus dieser Gruppe handelt. Der Name Halogene stammt aus dem Griechischen und bedeutet Salzbildner. Die meisten Salze werden mit diesen Elementen gebildet, zum Beispiel das Kochsalz mit Chlor, $NaCl$. Edelgase werden nach ihrem edlen Charakter benannt – sie gehen kaum Reaktionen mit anderen Elementen ein und kommen fast nie in Verbindungen vor.

• Bestimme die höchstmögliche Anzahl an Elektronen mit Hauptquantenzahl n = 3.

  Tipps

  Die magnetische Quantenzahl geht von -l bis +l, wobei nur ganzzahlige Werte angegeben werden.

  s-Orbitale entsprechen der Nebenquantenzahl l = 0, p-Orbitale l = 1 und d-Orbitale l = 2.

  Lösung

  Die höchstmögliche Anzahl der Elektronen mit der gleichen Hauptquantenzahl wächst mit der Hauptquantenzahl schnell an. Das liegt daran, dass mit der Hauptquantenzahl die Anzahl der Nebenquantenzahlen um eins wächst.

  Nun wächst mit der Nebenquantenzahl auch die Anzahl der magnetischen Quantenzahlen bei gleicher Nebenquantenzahl. Zur Nebenquantenzahl l gehören die magnetischen Quantenzahlen mit ganzzahligen Werten von -l bis +l. Zu l = 1 gehören m = -1, m = 0, m = 1, also drei magnetische Quantenzahlen. Bei l = 2 sind es schon fünf: m = -2, m = -1, m = 0, m =1 und m = 2.

  Jedes dieser Orbitale kann nun mit zwei Elektronen besetzt werden. Daher wächst die Anzahl der Elektronen mit der gleichen Hauptquantenzahl so schnell an: In der K-Schale kann es nur zwei Elektronen geben, die im einzigen Orbital sind (1s). In der L-Schale sind es schon acht Elektronen: zwei aus dem 2s-Orbital, sechs aus den drei 2p-Orbitalen. In der M-Schale sind es, wie du gerade festgestellt hast, 18 Elektronen, in der N-Schale bereits 2+6+10+14 = 32 Elektronen.