Chemische Grundlagen
Elektronenkonfiguration
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Elektronenkonfiguration einfach erklärt

Die Elektronenkonfiguration gibt die Elektronenverteilung in einem Atom an. Denn die einzelnen Elektronen eines Atoms verteilen sich unterschiedlich in der Elektronenhülle. Dabei kannst du die Elektronenhülle auf zwei Arten genauer beschreiben:

  • Schalenmodell : Elektronen bewegen sich auf verschiedenen Schalen.
  • Orbitalmodell : Elektronen bewegen sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in dreidimensionalen Räumen.

Du kannst also mit der Elektronenkonfiguration sagen, in welchen Schalen oder Orbitalen sich die verschiedenen Elektronen befinden.

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Schalenmodell und Orbitalmodell

Die Besetzung mit den Elektronen findest du in einem sogenannten Energieniveauschema.

Elektronenkonfiguration Definition

Die Elektronenkonfiguration gibt an, wie die einzelnen Elektronen eines Atoms oder Ions verteilt sind. Die Elektronen befinden sich dabei in unterschiedlichen Schalen und Orbitalen.

Elektronenkonfiguration Quantenzahlen

Der Zustand eines Elektrons wird im Allgemeinen durch die vier Quantenzahlen bestimmt. Sie lauten:

  1. Hauptquantenzahl
  2. Nebenquantenzahl
  3. Magnetquantenzahl/Magnetische Quantenzahl des Drehimpuls
  4. Magnetische Spinquantenzahl

Sie helfen dir dabei zu verstehen, wie die einzelnen Schalen mit den Elektronen besetzt werden. Die Beschreibung geht auf das Bohr-Sommerfeldsche-Atommodell und das Orbitalmodell zurück.

Hauptquantenzahl n

Sie gibt an, auf welcher Schale sich das Elektron befindet, also zu welchem Energiezustand das Elektron gehört. Die Hauptquantenzahl nimmt natürliche Zahlen, also 1, 2 ,3, … an.

Die Schalen bezeichnest du auch mit Buchstaben, und zwar nach der Reihenfolge des Alphabets, wobei du ab dem Buchstaben K startest. Du sprichst dann auch der K-, L-, M-, N-Schale.

Nebenquantenzahl l

Sie gibt Auskunft über die Gestalt des Atomorbitals eines Atoms. l kann dabei die Zahlen l = 0, 1, 2, ... < n annehmen.

Statt den Zahlen verwendest du häufig Buchstaben zur Beschreibung. Dabei sind die Buchstaben wie folgt zur Nebenquantenzahl l zugeordnet:

  • l = 0 mit s
  • l = 1 mit p
  • l = 2 mit d
  • l = 3 mit f
  • l = 4 mit g
  • usw.

Magnetische Quantenzahl des Drehimpuls ml

Sie wird auch Magnetquantenzahl genannt und beschreibt, wie der Elektronen-Bahndrehimpuls räumlich orientiert ist. Einfach gesagt bestimmt sie die Orientierung des Orbitals im Raum und beschreibt die Ausrichtung des Drehimpulses.

Sie gibt die Größe der z-Komponente des Elektronen-Bahndrehimpulses an. Die Namensbezeichnung „magnetische Quantenzahl“ kommt daher, dass sie die potentielle Energie des Elektrons beschreibt, die man durch Anlegen eines magnetischen Feldes in z-Richtung erhält.

Die magnetische Quantenzahl kann die Werte m_l = -l, -(l-1), ...-1, 0, 1, ..., (l-1), l annehmen, kann also in Bezug auf den Betrag nicht größer als die Nebenquantenzahl sein.

Magnetische Spinquantenzahl ms

Sie beschreibt die Orientierung eines Spins zur z-Achse, einfacher gesagt den Drehsinn des Elektrons. Der Spin eines Elektrons hat die Werte s=\pm\frac{1}{2}.

Elektronenkonfiguration Schalen

Die Verteilung der Elektronen auf die verschiedenen Schalen und die jeweiligen Orbitale erfolgt gemäß dem Pauli Prinzip . Es besagt, dass keine zwei Elektronen eines Atoms in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen darf.

Jede Schale eines Atoms kann maximal mit 2n2 Elektronen besetzt werden. Diese Zahl ergibt sich durch die Beschränkungen der Nebenquantenzahl, der magnetischen Drehimpulsquantenzahl und der magnetischen Spinquantenzahl.

Das chemische Verhalten eines Atoms wird hauptsächlich durch die äußerste Schale bestimmt. Da Atome bestrebt sind einen möglichst stabilen Zustand zu erreichen, ist das Ziel eine gefüllte äußere Schale.

Elektronenkonfiguration Besetzung der Schalen

In einem Atom besetzen Elektronen die Zustände nach der energetischen Reihenfolge, wobei die Reihenfolge von Zuständen mit niedriger Energie zu Zuständen mit höherer Energie gegeben ist. Die Schalen werden deshalb in der Regel von innen nach außen mit Elektronen besetzt.

Die Besetzung der Orbitale findet in der dargestellten Reihenfolge statt:

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Besetzung der Schalen

Hierbei geht man bei der Besetzung der Orbitale in der Reihenfolge des Pfeils vor. Also zuerst wird das s-Orbital der 1-ten (K-)Schale besetzt. Danach das s-Orbital der 2-ten (L-)Schale, dann das p-Orbital der 2-ten (L-)Schale und so weiter.

Merke: Nach der Hundschen Regel werden die Orbitale mit gleicher Energie erst je mit einem Elektron und anschließend mit einem zweiten Elektron besetzt.

Als Ausnahmen gelten hierbei unter anderem Elemente wie Chrom, Kupfer, Lanthan oder Actinium.

Periodensystem Elektronenkonfiguration bestimmen

Im Folgenden erklären wir, wie du die Elektronenkonfiguration aus dem Periodensystem ablesen kannst. Dafür musst du wissen, welche Anzahl an Elektronen ein Orbital aufnehmen kann. Unter Verwendung der Nebenquantenzahl erhältst du:

Orbital Anzahl Elektronen (gesamt)
s 2
p 6
d 10
f 14

Aufgepasst: Die Elektronenanzahl bei den p-, d- und f-Orbitalen beschreibt die Gesamtanzahl. Beim p-Orbital findest du also insgesamt 3-mal 2, also insgesamt 6 Elektronen, nicht aber 6 Elektronen in einem einzigen p-Orbital.

Dabei ist der Übergang zu einer neuen Periode dadurch charakterisiert, dass das s-Orbital einer neuen Schale besetzt wird. Teilst du das Periodensystem in Gruppen der Orbitale ein, dann kann man einfach die Elektronenkonfiguration ablesen.

Elektronenkonfiguration, Periodensystem, Orbitale
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Elektronenkonfiguration im Periodensystem

Hiermit kannst du die Elektronenkonfiguration nun Schritt für Schritt für alle Elemente des Periodensystem (außer für die Ausnahmen) bestimmen:

  1. In jeder Periode werden die s-Orbitale als Erstes besetzt und die p-Orbitale als Letztes.
  2. Elemente der Nebengruppe entspricht das Besetzen der d-Orbitale.
  3. Werden zusätzlich noch die f-Orbitale besetzt, so handelt es sich um die Lanthanoide und Actinoide.

Betrachten wir zum Beispiel das Element Mangan (Mn), dann werden die Schalen und Orbitale wie folgt besetzt:

  1. zuerst das s-Orbital der 1-ten Schale (1s2)
  2. danach das s-Orbital der 2-ten Schale (2s2)
  3. dann das p-Orbital der 2-ten Schale (2p6)
  4. anschließend das s-Orbital der 3-ten Schale (3s2)
  5. dann das p-Orbital der 3-ten Schale (3p6)
  6. daraufhin das s-Orbital der 4-ten Schale (4s2)
  7. schließlich noch teilweise das d-Orbital der 3-ten Schale (3d5)
Elektronenkonfiguration, Periodensystem, Orbitale, Mangan
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Elektronenkonfiguration Mangan (Mn)

Elektronenkonfiguration Notation

Für die Notation gibt es verschiedene Konventionen. Häufig verwendet man die Notation, bei der die Nummer der Schale gefolgt von einem Orbital mit einem hochgestellten Index angegeben wird. Der Index des Orbitals steht dabei für die Anzahl der Elektronen, die sich im Orbital befinden. Dabei werden die Orbitale nicht in der Reihenfolge nach dem Aufbauprinzip (wie oben erklärt) angeben, sondern nach der Reihenfolge der Schalen, also der Hauptquantenzahl. Betrachtet man wieder das obere Beispiel Mangan, so ist die Schreibweise hierfür mit Angabe der Elektronen:

1\mathrm{s}^22\mathrm{s}^22\mathrm{p}^63\mathrm{s}^23\mathrm{p}^63\mathrm{d}^54\mathrm{s}^2

Bei mehreren Orbitalen der gleichen Schale wird die Angabe der Hauptquantenzahl bei den weiteren Orbitalen häufig weggelassen:

1\mathrm{s}^22\mathrm{s}^2\mathrm{p}^63\mathrm{s}^2\mathrm{p}^6\mathrm{d}^54\mathrm{s}^2

Diese Schreibweise kann man noch weiter verkürzen, indem man das Edelgas der nächstkleineren Ordnungszahl voran setzt und nur die zusätzlich besetzten Schalen und Orbitale dahinter schreibt. Für das obige Beispiel Mangan würde sich folgende Schreibweise ergeben:

[Ar]3\mathrm{d}^54\mathrm{s}^2

Elektronenkonfiguration der Elemente

In der folgenden Tabelle sind die Elektronenkonfigurationen der Elemente dargestellt. Hier findest du auch die Elektronenkonfiguration Eisen, die Elektronenkonfiguration Kupfer, Elektronenkonfiguration Schwefel und die Elektronenkonfiguration Kohlenstoff:

Ordnungszahl Element Elektronenkonfiguration
1
Wasserstoff 1s1
2 Helium 1s2
3 Lithium [He]2s1
4 Beryllium [He]2s2
5 Bor [He]2s2p1
6 Kohlenstoff [He]2s2p2
7 Stickstoff [He]2s2p3
8 Sauerstoff [He]2s2p4
9 Fluor [He]2s2p5
10 Neon [He]2s2p6
11 Natrium [Ne]3s1
12 Magnesium [Ne]3s2
13 Aluminium [Ne]3s2p1
14 Silicium [Ne]3s2p2
15 Phosphor [Ne]3s2p3
16 Schwefel [Ne]3s2p4
17 Chlor [Ne]3s2p5
18 Argon [Ne]3s2p6
19 Kalium [Ar]4s1
20 Calcium [Ar]4s2
21 Scandium [Ar]3d14s2
22 Titan [Ar]3d24s2
23 Vanadium [Ar]3d34s2
24 Chrom [Ar]3d54s1
25 Mangan [Ar]3d54s2
26 Eisen [Ar]3d64s2
27 Cobalt [Ar]3d74s2
28 Nickel [Ar]3d84s2
29 Kupfer [Ar]3d104s1
30 Zink [Ar]3d104s2
31 Gallium [Ar]3d104s24p1
32 Germanium [Ar]3d104s24p2
33 Arsen [Ar]3d104s24p3
34 Selen [Ar]3d104s24p4
35 Brom [Ar]3d104s24p5
36 Krypton [Ar]3d104s24p6
37 Rubidium [Kr]5s1
38 Strontium [Kr]5s2
39 Yttrium [Kr]4d15s2
40 Zirconium [Kr]4d25s2
41 Niob [Kr]4d45s1
42 Molybdän [Kr]4d55s1
43 Technetium [Kr]4d55s2
44 Ruthenium [Kr]4d75s1
45 Rhodium [Kr]4d85s1
46 Palladium [Kr]4d10
47 Silber [Kr]4d105s1
48 Cadmium [Kr]4d105s2
49 Indium [Kr]4d105s2p1
50 Zinn [Kr]4d105s2p2
51 Antimon [Kr]4d105s2p3
52 Tellur [Kr]4d105s2p4
53 Iod [Kr]4d105s2p5
54 Xenon [Kr]4d105s2p6
55 Caesium [Xe]6s1
56 Barium [Xe]6s2
57 Lanthan [Xe]5d16s2
58 Cer [Xe]4f26s2
59 Praseodym [Xe]4f36s2
60 Neodym [Xe]4f46s2
61 Promethium [Xe]4f56s2
62 Samarium [Xe]4f66s2
63 Europium [Xe]4f76s2
64 Gadolinium [Xe]4f75d16s2
65 Terbium [Xe]4f96s2
66 Dysprosium [Xe]4f106s2
67 Holmium [Xe]4f116s2
68 Erbium [Xe]4f126s2
69 Thulium [Xe]4f136s2
70 Ytterbium [Xe]4f146s2
71 Lutetium [Xe]4f145d16s2
72 Hafnium [Xe]4f145d26s2
73 Tantal [Xe]4f145d36s2
74 Wolfram [Xe]4f145d46s2
75 Rhenium [Xe]4f145d56s2
76 Osmium [Xe]4f145d66s2
77 Iridium [Xe]4f145d76s2
78 Platin [Xe]4f145d96s1
79 Gold [Xe]4f145d106s1
80 Quecksilber [Xe]4f145d106s2
81 Thallium [Xe]4f145d106s2p1
82 Blei [Xe]4f145d106s2p2
83 Bismut [Xe]4f145d106s2p3
84 Polonium [Xe]4f145d106s2p4
85 Astat [Xe]4f145d106s2p5
86 Radon [Xe]4f145d106s2p6
87 Francium [Rn]7s1
88 Radium [Rn]7s2
89 Actinium [Rn]6d17s2
90 Thorium [Rn]6d27s2
91 Protactinium [Rn]5f26d17s2
92 Uran [Rn]5f36d17s2
93 Neptunium [Rn]5f46d17s2
94 Plutonium [Rn]5f67s2
95 Americium [Rn]5f77s2
96 Curium [Rn]5f76d17s2
97 Berkelium [Rn]5f97s2
98 Californium [Rn]5f107s2
99 Einsteinium [Rn]5f117s2
100 Fermium [Rn]5f127s2
101 Mendelevium [Rn]5f137s2
102 Nobelium [Rn]5f147s2
103 Lawrencium [Rn]5f146d17s2
104 Rutherfordium [Rn]5f146d27s2
105 Dubnium [Rn]5f146d37s2
106 Seaborgium [Rn]5f146d47s2
107 Bohrium [Rn]5f146d57s2
108 Hassium [Rn]5f146d67s2
109 Meitnerium [Rn]5f146d77s2
110 Darmstadtium [Rn]5f146d97s1
111 Roentgenium [Rn]5f146d107s1
112 Copernicium [Rn]5f146d107s2
113 Nihonium [Rn]5f146d107s2p1
114 Flerovium [Rn]5f146d107s2p2
115 Moscovium [Rn]5f146d107s2p3
116 Livermorium [Rn]5f146d107s2p4
117 Tenness [Rn]5f146d107s2p5
118 Oganesson [Rn]5f146d107s2p6

 

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