Atommodelle, Orbitale und Elektronenkonfiguration

Das Bohrsche Atommodell

Im Bohrschen Atommodell können sich Elektronen nur auf bestimmten Bahnen um den Kern bewegen. Die Bahn, die dem Kern am nächsten liegt, entspricht dem niedrigsten Energieniveau. Die Energien der Bahnen wachsen mit zunehmender Entfernung vom Kern.

Erklärung des Wasserstoffspektrums

Ein Elektron absorbiert Energie, um jeweils eine Stufe tiefer auf ein höheres Energieniveau zu gelangen. Beim Übergang von einem höheren zu einem niedrigeren Niveau emittiert es Energie in Form von Strahlung (Photonen). Die absorbierte oder emittierte Energie des Photons entspricht der Energiedifferenz zwischen den Niveaus. Die Frequenz der emittierten oder absorbierten Strahlung wird nach folgender Formel berechnet:

Historische Atommodelle

Thomsonsches Modell

Das Atom wird als eine Kugel mit gleichmäßig verteilter Masse und positiver Ladung betrachtet, in die Elektronen eingebettet sind.

Rutherfordsches Kernmodell

Dieses Modell nimmt die Existenz eines Kerns an, der etwa 10⁴-mal kleiner als die Gesamtgröße des Atoms ist. In ihm ist die gesamte Masse und die positive Ladung des Atoms konzentriert. Der Kern ist von Elektronen (negative Ladung und vernachlässigbare Masse) umgeben. Um zu erklären, warum Elektronen nicht in den Kern stürzen (Zusammenbruch des Atoms), wurde ein dynamisches Modell vorgeschlagen: Elektronen bewegen sich auf Bahnen um den Kern, wobei die elektrostatische Anziehung die notwendige Zentripetalkraft liefert, um diese Kreisbahnen zu beschreiben.

Grundbegriffe der Atomstruktur

• Ordnungszahl (Z): Die Anzahl der Protonen, die jedes Atom eines Elements besitzt.
• Neutronenzahl (N): Die Anzahl der Neutronen im Kern.
• Isotope: Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen.
• Massenzahl (A): Die Summe aus Protonen und Neutronen (A = Z + N).

Orbitale und Elektronenkonfiguration

Ein Orbital ist ein Raumbereich, in dem eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, ein Elektron zu finden. Die Form eines Orbitals ist abhängig von der Unterstufe, zu der es gehört (s-Orbitale sind kugelförmig, p-Orbitale haben eine hantelförmige Struktur, die sich in der Orientierung im Raum unterscheidet). Die Orbitalgröße hängt vom Wert von n ab: Je größer n, desto größer ist das Orbital.

Die Elektronenkonfiguration eines Atoms gibt an, wie die Elektronen in den Unterstufen verteilt sind. Die Anzahl der Elektronen in jeder Unterstufe wird hochgestellt angegeben:

1s
2s 2p
3s 3p 3d
4s 4p 4d
5s 5p 5d 5f
6s 6p 6d 6f

Prinzipien der Elektronenverteilung

• Aufbau-Prinzip: In einem Grundzustand besetzen Elektronen die verfügbaren Orbitale mit der niedrigsten Energie.
• Pauli-Prinzip: In jedes Orbital passen nur zwei Elektronen, die sich jeweils in ihrem Spin unterscheiden.
• Hundsche Regel: Wenn mehrere Orbitale der gleichen Energie zur Verfügung stehen (gleiche Unterstufe), werden diese so besetzt, dass die maximale Anzahl an ungepaarten Elektronen mit gleichem Spin erreicht wird.