Das Orbitalmodell - 3. Atommodelle, Periodensystem 3a. Rutherfordmodell

Das Orbitalmodell
Ein Elektron wird vom Kern angezogen. Es kann sich im Raum nicht frei bewegen, es bleibt im Atom. Deshalb soll es statt als Welle (die sich räumlich fortpflanzt) besser als stehende Welle beschrieben werden, vergleichbar mit einer schwingenden Saite (welche an den Enden fixiert ist).
Aus Absorptions- und Emissions-Experimenten schloss Bohr, dass sich Elektronen ausschliesslich auf bestimmten Energieniveaus befinden können. Daraus leitete er sein Schalenmodell ab: Jede Schale hat eine bestimmte Energie.
Weil Elektronen im Orbitalmodell nach dem Welle-Teilchen-Dualismus (auch) als stehende Wellen verstanden werden, ordnet man die Energieniveaus den verschiedenen Schwingungszuständen zu: Wenn sich das Elektron im einfachsten Schwingungszustand n = 1 befindet hat es die tiefste Energie. Im Schwingungszustand n = 2 hat es eine höhere Energie.
Die Schwingungszustände entsprechen also dem, was Bohr als Schalen bezeichnete.
Drei Schwingungszustände einer stehenden Welle (mit unterschiedlichen Energien)
n = 3, = Wellenlänge
n = 2
n = 1
Im Wellen-Teilchen-Dualismus formuliert: Die Wellenfunktion beschreibt den Schwingungszustand eines Elektrons (Elektron als Welle). Die Form der Wellenfunktion (genau genommen ihr Quadrat) beschreibt, wo sich das Elektron aufhält (Elektron als Teilchen). Die grösste Aufenthaltswahr-scheinlichkeit des Elektrons ist bei den Bäuchen, die kleinste Wahrscheinlichkeit bei den Knoten. Im obigen Bild würde sich das Elektron im Schwingungszustand n = 1 bevorzugt in der Mitte aufhalten (Bauch); im Schwingungszustand n = 2 würde es nicht in der Mitte (Knoten) aufhalten.
Aus der Bohr’schen Formulierung: „Ein Elektron springt von einer Schale in die nächste.“ wird: „Ein Elektron gerät von einem Schwingungszustand in einen anderen.“ Wenn ein Atom Energie aufnimmt, werden die Schwingungszustände der Elektronen komplexer (mehr Bäuche und Knoten).
Elektronen weisen einen sogenannten Spin auf, eine Art Drehung um die eigene Achse.
In einem Orbital können sich maximal zwei Elektronen aufhalten. Gepaarte Elektronen weisen immer einen entgegengesetzten Spin auf.
Elektronen stossen sich zwar aufgrund der gleichnamigen Ladung gegenseitig ab. Sie haben dennoch eine Tendenz, sich zu paaren, weil es energetisch günstig, wenn sich zwei umgekehrte spins ergänzen.
Man kann ein Elektron zwar mit einer schwingenden Saite vergleichen. Die Elektronenschwingung ist aber komplizierter. Neben den Hauptschwingungen gibt es auch Nebenschwingungen. Zusätzlich zu den Energieniveaus, die schon Bohr kannte, fand man dementsprechend bei genauerer Beobachtung weitere, feiner unterteilte Neben-Energieniveaus. In der Folge unterteilte man die Bohr’schen Schalen in Hauptschalen und Nebenschalen. Den Hauptschalen ordnete man die Hauptquantenzahlen n zu, die schon Bohr definiert hatte. Den Nebenschalen ordnete man die Nebenquantenzahlen l zu.
Die erste Hauptschale besteht nur aus einer Nebenschale, der s-Nebenschale.
Die zweite Hauptschale besteht aus einer s- und p-Nebenschale.
Die dritte Hauptschale besteht aus einer s-, p- und d-Nebenschale.
Die vierte vier Hauptschale besteht aus einer s-, p-, d- und f-Nebenschale.
Eine s-Unterschale besteht aus einem kreisförmigen Orbital. In ihr haben maximal 2 Elektronen Platz.
Eine p-Unterschale besteht aus drei hantelförmigen Orbitalen. In ihr haben maximal 6 Elektronen Platz.
Eine d-Unterschale besteht aus fünf Orbitalen. In ihr haben maximal 10 Elektronen Platz.
Eine f-Unterschale besteht aus sieben Orbitalen. In ihr haben maximal 14 Elektronen Platz.
Die Elektronen besetzen immer zuerst die energetisch tiefsten, freien Plätze (oder in der Wellenformulierung: ...nehmen immer die einfachsten möglichen Schwingungsmuster ein).
Wie das unten stehende Energieniveauschema zeigt, führt das dazu, dass nicht immer schön eine Schale nach der andern mit Elektronen gefüllt wird; es kommt ab der dritten Schale zu anderen Reihenfolgen: Bevor das Niveau 3d besetzt wird zuerst das Niveau 4s besetzt.
Man nennt dies eine Schalenüberlappung. Die Schalenüberlappung hat weitreichende Konsequenzen für die Atome und ihre Eigenschaften.
Und weil die Schalenüberlappung immer nach der p-Nebenschale erfolgt, wird immer eine neue Hauptschale eröffnet, wenn die vorherige Schale mit acht Elektronen besetzt ist (volle s- und p-Nebenschale ergeben zusammen acht Elektronen). Anders formuliert: Keine Schale kann mehr als acht Elektronen aufnehmen, solange sie die Valenzschale ist. Es gibt deshalb kein Atom mit mehr als acht Valenzelektronen.
E
Orbitalmodell
E
usw.
usw.
Schalenmodell
Im Periodensystem werden die Elemente in 4 Blöcke aufgeteilt.
Hauptgruppenelemente: s-Block, p-Block
Nebengruppenelemente: d-Block
Lanthaniden und Actiniden: f-Block (wird aus Darstellungsgründen unterhalb des d-Blocks geschrieben)
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