Atomstruktur und Elektronenkonfiguration
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Grundlagen der Atomstruktur
Ordnungszahl und Massenzahl
Die Ordnungszahl (Z) gibt die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms an. Beispielsweise hat Natrium (Na) die Ordnungszahl 11, was bedeutet, dass es 11 Protonen und 11 Elektronen besitzt.
Die Massenzahl (A) gibt die Summe der Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms an. Natrium hat eine Massenzahl von 23.
Die Anzahl der Neutronen kann mit folgender Formel berechnet werden: A - Z = Anzahl der Neutronen.
Atom und Molekül
In Physik und Chemie ist das Atom die kleinste Einheit eines chemischen Elements, die dessen Identität und Eigenschaften beibehält und nicht durch chemische Reaktionen geteilt werden kann.
Ein Molekül ist das kleinste Teilchen einer Substanz, das die spezifischen chemischen Eigenschaften dieser Substanz beibehält. Wenn ein Molekül in noch kleinere Teile aufgeteilt wird, haben diese einen anderen Charakter als die ursprüngliche Substanz. Moleküle sind Verbindungen von Atomen der Elemente, aus denen sie gebildet sind.
Atomorbitale
Ein Orbital ist der Raumbereich um den Atomkern, in dem sich ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält. Es gibt verschiedene Arten von Orbitalen: s, p, d und f. Theoretisch existieren auch g, h, i, j, k usw.
Wenn Atomorbitale miteinander wechselwirken, um chemische Bindungen zu bilden, entstehen Molekülorbitale. Diese sind im Wesentlichen die Summe der beteiligten Atomorbitale.
Elektronenkonfiguration und Regeln
Pauli-Prinzip
Das Pauli-Prinzip beschreibt die Anordnung von Elektronen in den Energiezuständen eines Atoms. Es besagt, dass in einem Orbital maximal zwei Elektronen Platz finden können und dass keine zwei Elektronen in einem Atom die gleichen vier Quantenzahlen (n, l, ml und ms) haben können. Jedes Elektron in einem Atom hat also einen einzigartigen Satz von Quantenzahlen. Dieses Prinzip ist grundlegend für den Aufbau der Elektronenkonfiguration von Atomen.
Hund-Regel
Die Hund-Regel besagt, dass bei der Besetzung von energiegleichen Orbitalen (z. B. die drei p-Orbitale, die fünf d-Orbitale oder die sieben f-Orbitale) die Elektronen diese Orbitale zunächst einzeln besetzen, bevor sie sich paaren. Dabei haben die ungepaarten Elektronen parallele Spins. Ein Atom ist stabiler (energieärmer), wenn es ungepaarte Elektronen mit parallelen Spins hat, als wenn die Elektronen gepaart sind (entgegengesetzte oder antiparallele Spins).
Elektronenkonfiguration
Die Elektronenkonfiguration beschreibt die Anordnung der Elektronen in einem Atom, Molekül oder einer anderen physikalischen Struktur gemäß dem Schalenmodell. Nach diesem Modell können Elektronen zwischen verschiedenen Energieniveaus bzw. Orbitalen wechseln, indem sie ein Photon (ein Energiequant) emittieren oder absorbieren. Aufgrund des Pauli-Prinzips können nicht mehr als zwei Elektronen dasselbe Orbital besetzen. Ein Elektronenübergang erfolgt daher nur in ein Orbital, in dem eine Vakanz besteht.
Die Reihenfolge der Besetzung der Orbitale ist:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6