Chemie Grundlagen

Orbitalmodell

Inhaltsübersicht

Hallo! Beim Atomaufbau blickst du vor lauter Modellen gar nicht mehr durch und siehst nur noch Rosinenkuchen vor dir? Keine Sorge! Im nächsten Beitrag erklären wir dir alles, was du über den Atombau wissen musst!

Aufbau Orbitalmodell mit Elektronenkonfiguration

Anders als im Bor’schen Schalenmodell aus unserem Video zum Periodensystem, oder dem Rosinenkuchenmodell, das du vielleicht noch aus der Schule kennst, bewegen sich Elektronen in Wirklichkeit gar nicht auf festen Kreisen um den Atomkern. Sie bewegen sich in dreidimensionalen Räumen, die um den Kern herum angeordnet sind.

Diese dreidimensionalen Strukturen nennt man Orbitale. Sie geben den Raum an, in dem sich Elektronen am wahrscheinlichsten aufhalten. Denn in der Realität kann man nicht ganz genau wissen wo sich ein Elektron aufhält, was auf die Heisenbergsche Unschärferelation zurückzuführen ist, welche von Nobelpreisträger Werner Karl Heisenberg aufgestellt wurde. Man kennt nur den Raum, in dem die höchste Aufenthaltswahrscheinlichkeit herrscht. Wie diese Orbitale aussehen und was die sogenannten Quantenzahlen sind, schauen wir uns jetzt an.

Orbitalmodell, Schalenmodell, Rosinenkuchenmodell
Vergleich Atommodelle

Aufbau Orbital

Das einfachste Element, das wir betrachten können, ist Wasserstoff. Sein Elektron hält sich in einer Kugel um den Atomkern auf. Diese Kugel nennt man 1s Orbital. S-Orbitale sind immer kugelförmig und können genau zwei Elektronen beherbergen. Das heißt, dass Helium sein zweites Elektron dort auch noch unterbringen kann. Da das S-Orbital jetzt voll ist, müssen wir für Lithium nun ein neues Orbital anbrechen. Das 1s Orbital bleibt bestehen und es kommt ein weiteres S-Orbital hinzu. Dieses wir nun 2s-Orbital genannt, weil wir uns in der zweiten Periode befinden.

Zweite Periode - Orbitalmodell
Zweite Periode – Orbitalmodell

Dort passen – wie in jedes S-Orbital – wieder zwei Elektronen. Sobald auch das 2s-Orbital vollbesetzt ist, kommt das erste p-Orbital ins Spiel. P-Orbitale sehen aus wie Hanteln. Und im Gegensatz zu den S-Orbitalen gibt es von diesen gleich drei Stück – für jede Raumrichtung eins. In jede Hantelhälfte passt ein Elektron, also insgesamt 6 Elektronen.

p-Orbitale
p-Orbitale

Für die dritte Periode geht das System genauso weiter. Zuerst kommt wieder ein s-Orbital um unsere vorherigen Elektronen herum und so weiter.

Ab der vierten Periode gibt es nun eine Besonderheit. Auf das 4s-Orbital folgt zum ersten Mal ein d-Orbital. Davon gibt es 5 verschiedene und diese können insgesamt 10 Elektronen aufnehmen. Auch F-Orbitale gibt es noch. Diese benötigt man aber nur für sehr komplexe Atome.

Orbitalmodell
Orbitalmodell

Eletronenkonfiguration

Wie die Elektronen in einem Atom angeordnet sind, kann man mit Hilfe der Elektronenkonfiguration beschreiben. Man notiert dafür alle Orbitale, die ein Element besitzt und schreibt noch mit einer kleinen Zahl dazu wie viele Elektronen sich im jeweiligen Orbital befinden. Titan hat zum Beispiel die Konfiguration 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p2, 4s2, 3d2. Aber wieso 3d2 und nicht 4d2? Das wird klar, wenn man sich dieses einfache Schema zum Erstellen der Elektronenkonfiguration anschaut.

Zuerst schreibt man sich alle Perioden von oben nach unten auf. Dann notiert man neben die erste Periode ein s. Neben die zweite dann ein s und ein p. Für die dritte ein s, ein p und ein d. Wenn man jetzt die Elektronen auf die Orbitale aufteilen muss, dann beginnt man mit dem 1s-Orbital und geht dann entlang der Pfeile. Also danach das 2s, das 2p, dann das 3s, das 3p, das 4s und so weiter.

Damit man nicht für jedes Element eine so lange Aufzählung der Orbitale schreiben muss, gibt es auch eine Abkürzung. Man geht einfach von der Konfiguration des letzten Edelgases aus und hängt die Elektronen an, die dazu gekommen sind. Titan hat dann die Konfiguration von Argon und zusätzlich noch 3d2 und 4s2. So kannst du nun zu jedem Element die Elektronenkonfiguration herausfinden.

Schema Eletronenkonfiguration
Schema Elektronenkonfiguration

Quantenzahlen

Um den Zustand eines Elektrons vollständig zu beschreiben, werden die sogenannten Quantenzahlen verwendet. Dafür sind genau vier von ihnen nötig. Die erste Zahl ist die Hauptquantenzahl. Sie gibt an auf welchem Energieniveau – im Bor’schen Modell auch Schale genannt – sich ein Elektron befindet. Sie wird mit n bezeichnet und kann als Werte die natürlichen Zahlen annehmen. Im Periodensystem kann man sie anhand der Periode ablesen.

Hauptquantenzahl
Hauptquantenzahl

Die nächste Zahl ist die Drehimpulsquantenzahl l. Sie beschreibt die Form des Orbitals, also ob es sich zum Beispiel um eine Kugel oder eine Hantel handelt.

Drehimpulsquantenzahl
Drehimpulsquantenzahl

Sie kann jede natürliche Zahl einschließlich der Null einnehmen, die kleiner ist als n. Wenn l null ist, dann sitzt das Elektron im s-Orbital. Zusätzlich gibt es zwei weitere Quantenzahlen. Zum einen die magnetische Quantenzahl ml, die von -l bis l definiert ist und zum anderen die Spinquantenzahl ms die entweder plus oder minus ein halb sein kann. Diese Zahlen geben eine Auskunft über die räumliche Orientierung bezüglich der z-Achse.

Pauli-Prinzip

Das Pauli-Prinzip besagt nun, dass zwei Elektronen eines Atoms niemals in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen können. Sie müssen sich immer in mindestens einer der Zahlen unterscheiden.

Hund’sche Regel

Eine weitere Regel, die es zu beachten gilt, ist die Hund’sche Regel. Sie besagt, dass innerhalb eines Orbitals immer versucht wird die größte Anzahl an ungepaarten Elektronen zu bekommen. Befinden sich beispielsweise 5 Elektronen in dem 3d Orbital, so werden die Elektronen zunächst so verteilt, dass sich keine Elektronenpaare bilden.

Hundsche Regel
Hund’sche Regel

Mit deinem neugewonnenen Wissen kannst du jetzt genüsslich deinen Rosinenkuchen essen und musst ihn nicht mehr als Atommodell verwenden. Mach’s gut und bis bald!


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