Quantenchemie und Periodensystem

Quantenzahlen

Durch die Lösung der Gleichungen der Quantenmechanik für ein Atom erhält man, wie eine mathematische Folge, die Quantenzahlen. Sie beschreiben das Verhalten der Elektronen im Atom.

• Die Hauptquantenzahl (n)

  Bestimmt die Energieebene. Sie kann jede positive ganze Zahl annehmen: 1, 2, 3, ... Die erste Ebene (n=1) hat die niedrigste Energie. Mit zunehmender Entfernung vom Kern steigt die Energie.

• Die Bahndrehimpulsquantenzahl (l)

  Bestimmt die Form des Orbitals und die Energie innerhalb jeder Ebene. Sie nimmt Werte zwischen 0 und n-1 (einschließlich) an.

• Die magnetische Quantenzahl (m_l)

  Beschreibt die Orientierung des Orbitals im Raum und erklärt unter anderem die Aufspaltung von Spektrallinien durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes (Zeeman-Effekt).

• Die magnetische Elektronen-Spinquantenzahl (m_s)

  Verleiht dem Elektron und anderen Elementarteilchen eine innere Eigenschaft, den Spin. Sie bestimmt, ob das Elektron parallel oder antiparallel zu einem äußeren Magnetfeld ausgerichtet ist. Sie kann die Werte +½ und -½ annehmen. Man sagt, dass Elektronen mit dem gleichen Spin parallel sind oder dass sie ungepaarte Spins haben.

Elektronenkonfigurationen

Wie wir gesehen haben, werden die Elektronen um den Kern auf verschiedenen Ebenen und Orbitalen verteilt. Um zu erfahren, wie sie sich anordnen, müssen wir die folgenden Regeln berücksichtigen:

• Pauli-Prinzip

  Zwei Elektronen eines einzelnen Atoms können nicht in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen. Daher kann jedes Orbital nur zwei Elektronen aufnehmen. Orbitale werden entsprechend ihrer relativen Energie gefüllt, beginnend mit der niedrigsten Energie.

• Hund'sche Regel

  Wenn Orbitale die gleichen Quantenzahlen n und l (und somit die gleiche Energie) haben, wird beim Füllen zuerst ein Elektron in jedes Orbital gesetzt (parallele Spins), und erst danach werden die Orbitale mit dem zweiten Elektron aufgefüllt.

Die Verteilung der Elektronen in einem Atom auf verschiedenen Ebenen und im Raum um den Nukleus wird als elektronische Konfiguration oder elektronische Struktur bezeichnet.

Die Grundzustands-Elektronenkonfiguration ist die Elektronenkonfiguration im Grundzustand oder dem Zustand niedrigster Energie des Atoms.

Jede andere Konfiguration wird als angeregte Elektronenkonfiguration bezeichnet und entspricht einem angeregten Zustand höherer Energie.

Die Orbitale werden in der Regel durch Kästchen und Elektronen durch Pfeile dargestellt.

Klassifikation der Elemente und Periodensystem

Anfang des neunzehnten Jahrhunderts war die Zahl der bekannten Elemente groß genug, um eine Klassifikation zu rechtfertigen.

Im Jahre 1869 führten der Russe D. Mendelejew (1834–1907) und 1870 der Deutsche L. Meyer (1830–1895) unabhängig voneinander Elemente ein, die nach ihren Atommassen geordnet waren.

Mendelejews Periodensystem, das aufwendiger war als das von Meyer, enthielt alle bis dahin bekannten Elemente, geordnet nach der Atommasse und nach der Ähnlichkeit ihrer Eigenschaften.

Einige Elemente mussten entgegen der Reihenfolge der Atommassen platziert werden, um ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften zu berücksichtigen.

Dieses Problem wurde nach 1914 gelöst, als Moseley Elemente anhand der Ordnungszahl identifizierte. Dies ermöglichte die endgültige Formulierung des Periodengesetzes: Wenn die Elemente in aufsteigender Reihenfolge der Ordnungszahl gesetzt werden, erfolgt eine periodische Wiederholung vieler physikalischer und chemischer Eigenschaften.

Die gängigste Methode zur Klassifizierung der chemischen Elemente ist das Periodensystem der Elemente (lange Form). Die Spalten, die Elemente mit ähnlichen Eigenschaften enthalten, nennt man Gruppen. Die Zeilen werden als Perioden bezeichnet.

Periodische Eigenschaften

Einige physikalische und chemische Eigenschaften variieren regelmäßig innerhalb der Gruppen und Perioden. Deshalb nennt man sie periodische Eigenschaften.

Atomradius

• Innerhalb einer Gruppe

  Der Atomradius nimmt mit steigender Ordnungszahl zu. Beim Abstieg von einer Periode zur nächsten nimmt die Zahl der Elektronenschalen zu, was zu einer Vergrößerung des Atoms führt.

• Innerhalb einer Periode

  Der Atomradius nimmt ab, wenn die Ordnungszahl zunimmt. Bei wachsender Ordnungszahl erhöht sich die Kernladung, während die Zahl der Elektronenniveaus konstant bleibt. Dadurch steigt die Anziehungskraft auf die Valenzelektronen, und die Größe des Atoms nimmt ab.

Ionenradien

Wenn ein Atom ionisiert wird, ändert sich sein Volumen. Wenn es Elektronen verliert, wird es zu einem Kation und sein Radius nimmt ab. Wenn es Elektronen gewinnt, wird es zu einem Anion und sein Radius erhöht sich.