Grenzenlose Mikrobiologie
Elektronenorbitale
Elektronenorbitale sind dreidimensionale Darstellungen des Raumes, in dem sich ein Elektron wahrscheinlich aufhält.
Lernziele
Unterscheiden Sie zwischen den Elektronenorbitalen im Bohr-Modell und den quantenmechanischen Orbitalen
Schlüsselergebnisse
Schlüssel Punkte
- Das Bohrsche Atommodell gibt nicht genau wieder, wie die Elektronen räumlich um den Kern verteilt sind, da sie den Kern nicht umkreisen, wie die Erde die Sonne umkreist.
- Die Elektronenorbitale sind das Ergebnis mathematischer Gleichungen aus der Quantenmechanik, die als Wellenfunktionen bekannt sind und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhersagen können, wo sich ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden könnte.
- Die Anzahl und Art der Orbitale nimmt mit steigender Ordnungszahl zu und füllt verschiedene Elektronenschalen auf.
- Der Bereich, in dem sich ein Elektron am wahrscheinlichsten aufhält, wird als sein Orbital bezeichnet.
Schlüsselbegriffe
- Elektronenschale: Die kollektiven Zustände aller Elektronen in einem Atom mit der gleichen Hauptquantenzahl (dargestellt als eine Umlaufbahn, in der sich die Elektronen bewegen).
- Orbital: Eine Spezifizierung der Energie- und Wahrscheinlichkeitsdichte eines Elektrons an einem beliebigen Punkt in einem Atom oder Molekül.
Obwohl nützlich, um die Reaktivität und chemische Bindung bestimmter Elemente zu erklären, spiegelt das Bohrsche Atommodell nicht genau wider, wie die Elektronen räumlich um den Kern herum verteilt sind. Sie kreisen nicht um den Kern wie die Erde um die Sonne, sondern befinden sich in Elektronenorbitalen. Diese relativ komplexen Formen ergeben sich aus der Tatsache, dass sich Elektronen nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen verhalten. Mathematische Gleichungen aus der Quantenmechanik, die so genannten Wellenfunktionen, können mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhersagen, wo sich ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden könnte. Der Bereich, in dem sich ein Elektron am wahrscheinlichsten befindet, wird als Orbital bezeichnet.
Erste Elektronenschale
Das dem Kern am nächsten gelegene Orbital, das so genannte 1s-Orbital, kann bis zu zwei Elektronen aufnehmen. Dieses Orbital entspricht der innersten Elektronenschale des Bohrschen Atommodells. Es wird 1s-Orbital genannt, weil es kugelförmig um den Kern herum liegt. Das 1s-Orbital wird immer vor allen anderen Orbitalen besetzt. Wasserstoff hat ein Elektron; daher ist nur eine Stelle im 1s-Orbital besetzt. Diese wird als 1s1 bezeichnet, wobei die hochgestellte 1 das eine Elektron im 1s-Orbital bezeichnet. Helium hat zwei Elektronen und kann daher das 1s-Orbital mit seinen beiden Elektronen vollständig besetzen. Dies wird als 1s2 bezeichnet, was sich auf die beiden Elektronen des Heliums im 1s-Orbital bezieht. Im Periodensystem sind Wasserstoff und Helium die einzigen beiden Elemente in der ersten Reihe (Periode); das liegt daran, dass sie die einzigen Elemente sind, die nur in ihrer ersten Schale, dem 1s-Orbital, Elektronen haben.
Zweite Elektronenschale
Diagramm der S- und P-Orbitale: Die s-Unterschalen sind kugelförmig. Sowohl die 1n- als auch die 2n-Hauptschale haben ein s-Orbital, aber die Größe der Kugel ist beim 2n-Orbital größer. Jede Kugel ist ein einzelnes Orbital. Die p-Unterschalen bestehen aus drei hantelförmigen Orbitalen. Die Hauptschale 2n hat eine p-Unterschale, die Schale 1 jedoch nicht.
Die zweite Elektronenschale kann acht Elektronen enthalten. Diese Schale enthält ein weiteres kugelförmiges s-Orbital und drei „hantelförmige“ p-Orbitale, von denen jedes zwei Elektronen aufnehmen kann. Nachdem das 1s-Orbital gefüllt ist, wird die zweite Elektronenschale gefüllt, indem zuerst das 2s-Orbital und dann die drei p-Orbitale gefüllt werden. Beim Auffüllen der p-Orbitale nimmt jedes Orbital ein einzelnes Elektron auf; sobald jedes p-Orbital ein Elektron enthält, kann ein zweites hinzugefügt werden. Lithium (Li) enthält drei Elektronen, die die erste und zweite Schale besetzen. Zwei Elektronen besetzen das 1s-Orbital, und das dritte Elektron besetzt das 2s-Orbital. Seine Elektronenkonfiguration ist 1s22s1. Neon (Ne) hingegen hat insgesamt zehn Elektronen: zwei in seinem innersten 1s-Orbital und acht in seiner zweiten Schale (je zwei in den 2s-Orbitalen und drei in den p-Orbitalen). Daher ist es ein inertes Gas und energetisch stabil: Es bildet nur selten eine chemische Bindung mit anderen Atomen.
Dritte Elektronenschale
Größere Elemente haben zusätzliche Orbitale, die die dritte Elektronenschale bilden. Die Unterschalen d und f haben komplexere Formen und enthalten fünf bzw. sieben Orbitale. Die Hauptschale 3n hat s-, p- und d-Unterschalen und kann 18 Elektronen aufnehmen. Die Hauptschale 4n hat s-, p-, d- und f-Orbitale und kann 32 Elektronen aufnehmen. Je weiter man sich vom Kern entfernt, desto mehr Elektronen und Orbitale sind in den Energieniveaus zu finden. Wenn man im Periodensystem von einem Atom zum nächsten geht, kann man die Elektronenstruktur berechnen, indem man ein zusätzliches Elektron in das nächste verfügbare Orbital einfügt. Die Konzepte der Elektronenschalen und der Orbitale sind zwar eng miteinander verwandt, aber die Orbitale bieten eine genauere Darstellung der Elektronenkonfiguration eines Atoms, da das Orbitalmodell die verschiedenen Formen und speziellen Ausrichtungen aller Plätze spezifiziert, die Elektronen einnehmen können.