Chemie Grundlagen

Orbitalmodell

In diesem Artikel erklären wir dir das Orbitalmodell. Dieses beschreibt, wie sich Elektronen um den Atomkern bewegen und wo sie sich mit hoher Wahrscheinlichkeit befinden.

Du willst das Thema lieber in einem Video erklärt bekommen, anstatt langen chemischen Text zu lesen? Dann schau doch hier mal rein.

Inhaltsübersicht

Orbitalmodell einfach erklärt

Anders als im Bor’schen Schalenmodell oder dem Rosinenkuchenmodell, bewegen sich Elektronen in Wirklichkeit nicht auf festen Kreisen um den Atomkern. Sie bewegen sich in dreidimensionalen Räumen, die um den Kern herum angeordnet sind.

Diese dreidimensionale Strukturen werden Orbitale genannt. Sie geben den Raum an, in dem sich Elektronen wahrscheinlich aufhalten. Wahrscheinlich daher, weil du in der Realität nicht ganz genau wissen kannst, wo sich ein Elektron aufhält. Das ist auf die Heisenbergsche Unschärferelation zurückzuführen, welche von dem Nobelpreisträger Werner Karl Heisenberg aufgestellt wurde. Man kennt nur den Raum, in dem die höchste Aufenthaltswahrscheinlichkeit für das jeweilige Elektron herrscht.

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Aufbau Orbital

Der Aufbau und das Aussehen der Orbitale lässt sich aus der Schrödinger Gleichung ableiten. Diese Gleichung ist beispielsweise lösbar für das Wasserstoff-Atom und so kann die Form des Orbitals für ein Außenelektron bestimmt werden.

Das Elektron hält sich in einer Kugel um den Atomkern auf. Diese Kugel nennt man 1s Orbital. Du kannst dir merken, dass s-Orbitale immer kugelförmig sind und zwei Elektronen beherbergen können.

Zum Beispiel hat Helium zwei Außenelektronen. Beide finden demnach Platz in dem s-Orbital. Für Lithium hingegen musst du nun ein neues Orbital anbrechen. Das 1s Orbital bleibt bestehen und es kommt ein weiteres s-Orbital hinzu. Dieses wird nun 2s-Orbital genannt, weil wir uns in der zweiten Periode befinden.

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2s Orbital

Wie in jedes s-Orbital passen auch hier wieder zwei Elektronen rein. Sobald auch das 2s-Orbital voll besetzt ist, kommt das erste p-Orbital ins Spiel. P-Orbitale kannst du dir wie Hanteln vorstellen. Und im Gegensatz zu den s-Orbitalen gibt es von diesen gleich drei Stück, die sich je nach Raumrichtung unterscheiden. Dabei passt in jede Hantelhälfte ein Elektron, was insgesamt  zu 6 Elektronen führt.

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p-Orbitale

Für die dritte Periode geht das Spiel genauso weiter. Ab der vierten Periode kommt ein neues Orbital hinzu. Auf das 4s-Orbital folgt ein d-Orbital. Davon gibt es fünf verschiedene und diese können insgesamt zehn Elektronen aufnehmen. Auch f-Orbitale gibt es noch. Diese benötigt man aber nur für sehr komplexe Atome.

Orbitalmodell
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Orbitalmodell

Eletronenkonfiguration

Wie die Elektronen in einem Atom angeordnet sind, kann man mit Hilfe der Elektronenkonfiguration beschreiben. Wir haben dir dazu auch einen extra Videobeitrag erstellt, den du hier findest.

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Video Elektronenkonfiguration

Um die Konfiguration eines Atoms herauszufinden, notiert man sich alle Orbitale, die ein Element besitzt und schreibt mit einer kleinen Zahl dazu wie viele Elektronen sich im jeweiligen Orbital befinden.

Titan hat so zum Beispiel die Konfiguration 1s^2, 2s^2, 2p^6, 3s^2, 3p^6, 4s^2, 3d^2. Aber wieso 3d^2 und nicht 4d^2? 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 3d^2 und 4s^2. So kannst du nun zu jedem Element die Elektronenkonfiguration herausfinden.

Schema Eletronenkonfiguration
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Schema Elektronenkonfiguration

Quantenzahlen

Um den Zustand eines Elektrons vollständig zu beschreiben, werden die sogenannten Quantenzahlen %VERWEIS Quantenzahlen verwendet. Dafür sind genau vier von ihnen nötig.

Die erste Zahl ist die Hauptquantenzahl. Sie gibt an auf welchem Energieniveau – im Bohr’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
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Hauptquantenzahl

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

Drehimpulsquantenzahl
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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 \frac{1}{2} sein kann. Diese Zahlen geben eine Auskunft über die räumliche Orientierung bezüglich der z-Achse.

Um nun das Orbitalmodell abzuschließen fehlen dir noch zwei wichtige Regeln.

Pauli-Prinzip

Das Pauli-Prinzip %VERWEIS 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 %VERWEIS Hundsche 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
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Hund’sche Regel

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