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Atomorbitale 09:23 min

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Transkript Atomorbitale

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Atomorbitale. Für das Verständnis sind folgende Vorkenntnisse vonnöten: Atombau, Quantenzahlen, Aufbauprinzipien, Elektronenkonfiguration. Mein Ziel ist, Euch in diesem Video Vorstellungen über Orbitale, ihre Gestalt und energetische Abfolge in einem Atom zu vermitteln. Ich möchte Euch zeigen, welche Bedeutung die äußeren Orbitale für das chemische Element besitzen. Der Film ist in vier Abschnitte untergliedert. 1. Atomorbitale und Quantenzahlen 2. Anordnung der Atomorbitale 3. Welche äußeren Atomorbitale bilden welche Elemente? 4. Zusammenfassung   1. Atomorbitale und Quantenzahlen Die Quantenzahlen geben vor, um welches Orbital es sich handelt und wie viele dieser Orbitale vorhanden sind. Es gibt jeweils ein s-Orbital auf jeder Schale, p-Orbitale kommen immer zu dritt vor, d-Orbitale kommen immer zu fünft vor. S, p und d entspricht den Zahlen 1, 2 und 3. Das ist die jeweilige Nebenquantenzahl. Man kann sie auch Orbitalquantenzahl nennen. Bei s-Orbitalen ist die Zahl 1, bei p-Orbitalen ist die Zahl 3 und bei d-Orbitalen ist die Zahl 5 - das ist die jeweilige Zahl der entsprechenden Orbitale. Für eine genauere Beschreibung der Elektronen schreibt man z. B. 3d3. 3 ist die Hauptquantenzahl, das Hauptenergieniveau, 3 ist die Zahl aller Elektronen auf den 3d-Orbitalen. Die Zahl der Orbitale ergibt sich durch die Zahl der Magnetquantenzahlen für eine entsprechende Nebenquantenzahl. Ich möchte nun die Zahl der Orbitale und den entsprechenden Orbitaltyp in einer kleinen Tabelle zusammenstellen. Beträgt die Zahl der Orbitale 1, so handelt es sich um ein s-Orbital. Das entspricht der Nebenquantenzahl l=0. Sind drei Orbitale vorhanden, so handelt es sich um p-Orbitale. Das entspricht der Nebenquantenzahl l=1. Gibt es 5 Orbitale, so handelt es sich um d-Orbitale. Das entspricht der Nebenquantenzahl l=2. Bei 7 Orbitalen können es nur f-Orbitale sein. Das entspricht der Nebenquantenzahl l=3. S-Orbitale sind für alle Hauptquantenzahlen 1, 2 usw. möglich. P-Orbitale gibt es für die Nebenquantenzahlen 2 und aufwärts. D-Orbitale gibt es erst ab der Nebenquantenzahl 3 und f-Orbitale sind erst ab n=4 möglich. Ich möchte noch einmal daran erinnern, dass Orbitale immer existieren, unabhängig mit wie viel Elektronen sie besetzt sind. Jedes Orbital kann entweder mit 0, 1 oder 2 Elektronen besetzt sein.  2. Anordnung der Atomorbitale Wir haben gelernt, dass s-Orbitale für jede Hauptquantenzahl l verfügbar sind. Für praktische Zwecke reicht es, die s-Orbitale von 1s bis 7s anzugeben. p-Orbitale gibt es ab Hauptquantenzahl n=2. Für praktische Zwecke ist es ausreichend, die p-Orbitale von 2p bis 6p anzugeben. d-Orbitale existieren ab der Hauptquantenzahl 3. Für praktische Zwecke ist es ausreichend, die d-Orbitale von 3d bis 6d aufzuführen. An f-Orbitalen müssen wir nur die Orbitale 4f und 5f berücksichtigen. Der energetische Verlauf gestaltet sich leider nicht glatt über die Hauptquantenzahlen. Es gibt da diverse Sprünge. Aber trotzdem ist eine Systematik vorhanden. Ich möchte sie hier aufzeigen. Wir beginnen mit 1s, dann folgt 2s, es schließen sich 2p und dann 3s an. Gefolgt werden diese von 3p und 4s, darauf folgen 3d, 4p, 5s. Anschließend kommen 4d, 5p, 6s. Nun folgen 4f, 5d, 6p, 7s. Die höchsten Energien besitzen die Orbitale 5f und 6d. Diese energetische Abfolge muss man berücksichtigen, wenn man die Elektronenkonfiguration für ein chemisches Element exakt formulieren möchte. Nehmen wir das chemische Element Gold, Aurum, Symbol Au. Ein Goldatom besitzt 79 Protonen, es hat die Ordnungszahl 79. Daher muss es auch 79 Elektronen besitzen. Wir beginnen: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d9. Es gibt eine Elektronenverschiebung, die wir nicht erklären können. 6s1 und 5d10. 3. Welche äußeren Orbitale bilden welche Elemente? s-Orbitale: Atome, die als äußere Orbitale s-Orbitale besitzen, sind ausschließlich Metalle. Sie entsprechen den beiden ersten Hauptgruppen des Periodensystems der Elemente. Beispiele dafür sind Natrium und Kalzium. p-Orbitale: Atome, die als äußere Orbitale p-Orbitale besitzen, sind meist Nichtmetalle. Zwei Beispiele dafür sind Fluor und Schwefel. Einige wenige Metalle sind darunter, wie z. B. Aluminium oder Blei. Die Edelgase, wie Krypton, gehören ebenfalls zu den sogenannten p-Elementen. d-Orbitale: Chemische Elemente, deren energiereichste Elektronen d-Orbitale besitzen, sind ausschließlich Metalle. Als Beispiele dafür möchte ich Kupfer, Zink, Silber, Gold und Rutherfordium nennen. Rutherfordium ist radioaktiv, daher das Sternchen. Wenn die energiereichsten Atome eines chemischen Elementes auf f-Orbitalen sitzen, so handelt es ebenfalls ausschließlich um Metalle. Sie umfassen die Reihen der Lanthanoide, wie z. B. Cer oder der Aktinoide, wie z. B. Uran. 4. Zusammenfassung Auf jeder Schale befindet sich jeweils ein s-Orbital. Bei vollständiger Besetzung ergibt das 2 Elektronen. Ab n=2 befindet sich auf jeder Schale ein Satz von jeweils 3 p-Orbitalen. Das ergibt bei kompletter Besetzung 6 Elektronen. Ab n=2 befindet sich auf jeder Schale ein Satz von insgesamt 5 d-Orbitalen. Bei vollständiger Besetzung können diese 10 Elektronen aufnehmen. Ab n=4 ist jede Schale mit einem Satz von 7 f-Orbitalen ausgestattet. Bei vollständiger Besetzung ergibt das 14 Elektronen. Bei s-Orbitalen als äußeren Orbitalen ergibt das Hauptgruppenelemente, und zwar immer Metalle. Als Beispiele möchte ich Kalium und Magnesium nennen. Sind die äußeren besetzten Orbitale p-Orbitale, so handelt es sich durchweg um Hauptgruppenelemente. Alle Nichtmetalle fallen unter diese Kategorie, wie z. B. Chlor oder Brom. Auch die Edelgase gehören diesen p-Elementen an. Als Beispiel möchte ich Argon nennen. Ebenfalls einige Metalle fallen unter diese Kategorie wie z. B. Aluminium oder Zinn. Die Anzahl der Nichtmetalle ist jedoch größer als die Anzahl der Metalle. Chemische Elemente, deren äußere Elektronen auf den d-Orbitalen sitzen, gehören den Nebengruppen an. Es handelt sich ausschließlich um Metalle. Als Beispiele möchte ich Kupfer, Silber und Gold nennen. Sitzen die energiereichsten Elektronen der Atome eines chemischen Elementes auf f-Orbitalen, so handelt es sich durchweg um Metalle. Eine große Gruppe dieser Elemente sind die sogenannten Lanthanoide. Als Beispiel möchte ich Cer nennen. Die zweite Gruppe sind die sogenannten Aktinoide, als Beispiel das radioaktive Plutonium. Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen.

7 Kommentare
  1. liken und kommentieren nicht vergessen

    Von Lhcityline, vor mehr als einem Jahr
  2. Daumen hoch!!!!

    Von Bdeurope, vor mehr als 5 Jahren
  3. Hallo Alex333,
    Das bei einer Antwort das 2s2 fehlt ist gewollt, man soll ja eine falsche Elektronenkonfiguration finden. Es ist richtig, dass das 4s vor dem 3d besetzt wird, bei der Schreibweise scheint allerdings kein einheitlicher Konsens zu herrschen, so wird im Mortimer das 3d vor dem 4s geschrieben während im Riedel das 4s vor dem 3d geschrieben wird. Beide Schreibweisen scheinen verbreitet zu sein.

    Von Jan Philip Schellenberg, vor fast 7 Jahren
  4. Bei der Testfrage ist nur das erste richtig!
    beim 2 muss doch 3d10 und 4s2 vertauscht werden oder nicht?
    beim 3 fehlt das 2s2!

    Von Alex333, vor fast 7 Jahren
  5. Vielen Dank für den Hinweis. Habe gerade die Frage korrigiert.
    Viele Grüße
    Jan Philip

    Von Jan Philip Schellenberg, vor etwa 7 Jahren
  1. Allerdings, es gibt auch noch eine mit einem zweiten Fehler. Vielen Dank!

    Von André Otto, vor etwa 7 Jahren
  2. Anschaulich gemacht. *top*

    Aber sind bei der Testfrage nicht alle Antworten falsch? Es fehlt überall das 2s-Orbital...

    Von Bs1985, vor etwa 7 Jahren
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Atomorbitale Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Atomorbitale kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die Anzahl der Orbitale entsprechend ihres Orbitaltyps.

    Tipps

    Die Anzahl der Orbitale ergibt sich aus der Anzahl der Magnetquantenzahlen der entsprechenden Nebenquantenzahl.

    Lösung

    Die unterschiedlichen Orbitaltypen besitzen unterschiedlich viele Orbitale. Es gibt ein s-Orbital, 3 p-Orbitale, 5 d-Orbitale und 7 f-Orbitale. Die Anzahl ergibt sich aus der Anzahl der Magnetquantenzahlen der entsprechenden Nebenquantenzahl. d-Orbitale beginnen ab der dritten Hauptquantenzahl. Die Nebenquantenzahl l ist damit 2. Die Magnetquantenzahl m geht nun von -l bis +l; also -2, -1, 0, +1, +2. Dementsprechend gibt es 5 d-Orbitale.

  • Erkläre, wie sich die Anzahl der Orbitale bestimmen lässt.

    Tipps

    Es gibt 5 verschiedene d-Orbitale.

    Lösung

    Die Anzahl der Orbitale lässt sich durch die Zahl der Magnetquantenzahlen der entsprechenden Nebenquantenzahl bestimmen. Ein Beispiel: Die d-Orbitale werden ab der dritten Schale mit Elektronen besetzt. Die Hauptquantenzahl n ist also 3. Die Nebenquantenzahl l kann nun Werte von 0-n-1 annehmen. Für die Hauptquantenzahl 3 bedeutet das also 0, 1, 2. 0 steht dabei für das s-Orbital, 1 für die p-Orbitale und 2 für die d-Orbitale. Wenn wir uns nun die Magnetquantenzahlen für die Nebenquantenzahl l = 2 anschauen, dann haben diese Werte von -l bis+l, also -2, -1, 0,+1,+2. Es sind in diesem Fall also 5 Magnetquantenzahlen und das entspricht auch der Anzahl an d-Orbitalen.

  • Bestimme die Energie der Orbitale.

    Tipps

    Der energetische Verlauf ist nicht gleich der ansteigenden Hauptquantenzahl.

    Lösung

    Der energetische Verlauf der Orbitale lässt sich nicht chronologisch der Hauptquantenzahlen entsprechend ordnen. Es gibt einige Sprünge, die aber trotzdem einer gewissen Sytsematik entsprechen. Das 1 s-Orbital ist dabei am energieärmsten und die 5 f- und 6 d-Orbitale am energiereichsten. Hilfreich ist es, wenn du dir die Orbitale in einem Diagramm anordnest und Diagonalen zeichnest. Die zeigen dir dann den energetischen Anstieg an.

  • Bestimme die Elektronenkonfiguration für folgendes Element.

    Tipps

    Die Ordnungszahl verrät dir, wie viele Elektronen Mangan insgesamt besitzt.

    In jedes Orbital passen maximal 2 Elektronen.

    Lösung

    Mangan hat die Ordnungszahl 25. Es sind also insgesamt 25 Elektronen verteilt. Im ersten Orbital, dem 1 s-Orbital befinden sich 2 Elektronen. Mehr kann ein einzelnes Orbital nicht aufnehmen. Anschließend wird das 2 s-Orbital besetzt. Dann folgen die 2 p-Orbitale. Da es drei p-Orbitale gibt und jedes Orbital 2 Elektronen besitzt, befinden sich also 6 Elektronen in den 2 p-Orbitalen. Nun wird das 3 s-Orbital mit 2 Elektronen besetzt und die 3 p-Orbitale wieder mit 6 Elektronen. Da das 4 s-Orbital energetisch tiefer als die 3 d-Orbitale liegt, wird zunächst dann 4 s-Orbital mit 2 Elektronen besetzt. Du hast nun insgesamt 20 Elektronen verteilt. Es bleiben somit also noch 5 Elektronen für die 3 d-Orbitale.

    Die Anzahl der Elektronen wird immer als Exponent über den Buchstaben geschrieben, der für den Typen des Orbitals steht.

    Mn: $1~s^2~~2~s^2~~2~p^6~~3~s^2~~3~p^6~~4~s^2~~3~d^5$

  • Gib die Elemente an, die folgende äußere Orbitale haben.

    Tipps

    Im Periodensystem sind die Elemente nach aufsteigender Elektronenzahl geordnet. Welches Orbital wird als erstes mit Elektronen besetzt?

    Lösung

    Die Orbitale sind energetisch unterschiedlich. Zunächst wird also das 1 s-Orbital besetzt. Wasserstoff hat also ein s-Orbital als Außenorbital. Durch die Ordnung des Periodensystems kannst du die Außenorbitale der Elemente leicht erkennen. Die ersten beiden Hauptgruppen werden als „s-Block“ bezeichnet. Alle Elemente der ersten und zweiten Hauptgruppe haben damit ein s-Orbital als Außenorbital. Die III.-VIII. Hauptgruppe wird als „p-Block“ bezeichnet. Alle Elemente dieser Hauptgruppen haben also p-Orbitale als Außenorbitale. Die Nebengruppen werden als „d-Block“ bezeichnet (ausgenommen der Lanthanoide und Actinoide).

  • Benenne folgende Orbitale.

    Tipps

    Überlege dir, wie viele Orbitale es je Orbitaltyp gibt.

    Lösung

    Das s-Orbital ist kugelförmig. Es gibt genau ein s-Orbital. Die drei p-Orbitale erkennst du an ihrer Hantelform. Diese Hantel hat dabei unterschiedliche Ausrichtungen. Das px-Orbital ist in x-Achse ausgerichtet, das pz-Orbital in z-Richtung und das py-Orbital in y-Richtung. Die 5 d-Orbitale haben die Form einer gekreuzten Doppelhantel. Die kann einmal in den verschiedenen Ebenen liegen, aber auch auf den Achsen. Die f-Orbitale besitzenn eine Rosettenform und sind in dieser Übung nicht abgebildet.