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Ermittlung der Elektronenkonfiguration 06:38 min

Textversion des Videos

Transkript Ermittlung der Elektronenkonfiguration

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um das Periodensystem der Elemente, seinen Aufbau und die Elektronenkonfiguration. Als Vorkenntnisse sollte ihr solides Wissen über den Atombau, die Quantenzahlen und die Orbitale mitbringen. Ihr solltet wissen, was s-, p-, d- und f-Orbitale sind. Ziel des Videos ist es, die Struktur des Periodensystems im Rahmen der Beschreibung der Atome durch Quantenzahlen, besonders durch die Nebenquantenzahl l, die den Orbitalen entspricht, zu erläutern. Achtung! Das ist kein Video zum Erlernen von Quantenzahlen, Elektronenkonfiguration, Periodensystem der Elemente. Es geht hier darum, den prinzipiellen Aufbau des Periodensystems der Elemente abgeleitet von den Quantenzahlen euch näher zu bringen. Auf viele Details musste ich verzichten. Den Film habe ich in 5 Abschnitte untergliedert: 1. Die energetische Abfolge der Orbitale eines Atoms 2. Der 1. Eindruck vom Periodensystem der Elemente 3. Äußere Orbitale 4. Hauptgruppen und Nebengruppen 5. Namen der Hauptgruppen   1. Die energetische Abfolge der Orbitale eines Atoms Das wichtigste Kriterium für ein Orbital ist die Energie. Wir beginnen von unten nach oben mit steigender Energie. Dargestellt wurde zunächst der Grobaufbau, die Schalen. K, L, M und N. Wir wissen, dass die Schalen energetisch in Orbitale aufzuspalten sind. Bei der K-Schale gibt es keine Aufspaltung. Dort haben wir nur das 1s-Orbital. Die L-Schale setzt sich aus dem 2s- und dem 2p-Orbitalen zusammen. Die M-Schale besteht aus dem 3s-Orbital, den 3p-Orbitalen und den 3d-Orbitalen. Die N-Schale besteht aus dem 4s-Orbital, den 4p-Orbitalen und den 4d-Orbitalen. Man sieht hier schon die energetische Überlagerung der Orbitale der M und N-Schalen. Das geht auch so weiter. Ich möchte das andeuten, indem ich das 5s-Orbital einzeichne. Die Buchstaben K, L, M und N stehen stellvertretend für die Nummer der Schale oder die Hauptquantenzahl n. Eine andere Symbolik wird verwendet, wenn man die Orbitale angibt. Die Zahlen vor den Orbitalen entsprechen den entsprechenden Hauptquantenzahlen. Wir notieren somit: n ist die Hauptquantenzahl. Die Orbitale s, p, d und dann auch f werden durch l - die Nebenquantenzahl - definiert. Energetisch gleichwertige Orbitale kommen in unterschiedlicher Anzahl vor. Die s-Orbitale sind immer alleine vorhanden. Die p-Orbitale kommen 3-fach vor, die d-Orbitale 5-fach. Die Zahl der energetisch gleichwertigen Orbitale wird durch die Magnetquantenzahl vorgegeben. Genauer gesprochen liefern die unterschiedlichen Magnetquantenzahlen, die sich aus einer bestimmten Nebenquantenzahl ergibt, die Zahl der Orbitale. Außerdem wissen wir, dass 2 Elektronen auf ein und demselben Orbital einen unterschiedlichen Spin nach dem Pauliprinzip haben müssen. Das wird durch die sogenannte Spinquantenzahl gewährleistet. Wie kommt man nun von den Quantenzahlen zum Periodensystem der Elemente?   2. Der 1. Eindruck vom Periodensystem der Elemente Das Periodensystem der Elemente kann man grob in 4 Blöcke unterscheiden. Zum Ersten gibt es diesen großen gelben Block. Der zweite Block ist dieser große helllila farbene. Zwischen beiden liegt dieser bordeauxfarbene Block und schließlich noch dieser lang gezogene braune Block. Wodurch unterscheiden sich diese 4 Blöcke? Sie unterscheiden sich 3. durch die äußeren Orbitale der entsprechenden Elemente. Zu bemerken ist, dass der gelbe Block noch über eine kleine Enklave verfügt. Ein einzelnes Element, welches durch Quantenzahlen charakterisiert zu ihm gehört. Die äußeren Orbitale der Elemente der gelben Blöcke sind jeweils s-Orbitale. Die Atome der Elemente des helllilanen Blocks haben p-Orbitale als äußere Orbitale. Die äußeren Orbitale der Atome des karminroten Blocks sind d-Orbitale. Die äußeren Orbitale der Atome des braunen Blocks sind f-Orbitale. Die Enklave der s-Orbitale rechts oben ist das Helium-Atom.   4. Hauptgruppen und Nebengruppen Wenn wir das Periodensystem der Elemente zukünftig besprechen werden, werden wir es mit Haupt- und Nebengruppen zu tun haben. Sämtliche sogenannte s-Elemente gehören zu den Hauptgruppen. Das Gleiche trifft auch für die p-Elemente zu. Alle Elemente, deren Atome als äußere Orbitale d-Orbitale besitzen, zählen zu den Nebengruppenelementen. Die f-Elemente zählen weder zu den Haupt- noch zu den Nebengruppenelementen. Es handelt sich hier um ausgelagerte Reihen der Lanthanoide bzw. Actinoide.   5. Namen der Hauptgruppen Die Hauptgruppen besitzen bestimmte Namen. Umgangssprachlich werden sie häufig benutzt. Daher möchte ich sie jetzt nennen. Die erste Hauptgruppe, der erste gelbe Elementestreifen von oben nach unten enthält die Alkalimetalle, aber auch das Element Wasserstoff. Der Streifen daneben ist die 2. Hauptgruppe. Das sind die Erdalkalimetalle. Mit der 3. Hauptgruppe beginnen die p-Elemente. Das sind die sogenannten Erdmetalle. Gehen wir noch weiter nach rechts, kommen wir in die 4. Hauptgruppe, die Kohlenstoffgruppe. Dieser schließt sich die 5. Hauptgruppe, die Stickstoffgruppe, an. Gefolgt wird sie von der 6. Hauptgruppe, den Chalkogenen. Darauf folgt die 7. Hauptgruppe, die Halogene. Abgeschlossen werden die Hauptgruppen durch die 8. Hauptgruppe, die Edelgase. Zum Abschluss möchte ich noch den gesamten Inhalt dieses Videos in einem Bild zusammenfügen. Mit dieser Übersicht möchte ich schließen. Ich wünsche euch viel Erfolg und alles Gute. Auf Wiedersehen.

1 Kommentar
  1. Super erklärt!

    Von N3rd, vor etwa 7 Jahren

Ermittlung der Elektronenkonfiguration Übung

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

  • Vervollständige das Orbital-Energie-Schema.

    Tipps

    Die Abfolge der Orbitale einer Schale ist s-p-d-f-...

    Lösung

    Die Elektronen eines Atoms liegen in Orbitalen vor, die sich in ihrem Energieniveau unterscheiden. Die Orbitale lassen sich den Schalen zuordnen. Diese tragen die Bezeichnungen K, L, M, N und so weiter. Die Anzahl der Orbitale pro Schale steigt dabei von Schale zu Schale um zwei an.

    Die Schalen lassen sich auch mit Hilfe der Hauptquantenzahl n beschreiben. Orbitale werden mit dieser Hauptquantenzahl und einer Bezeichnung für die Art des Orbitals benannt. Diese Bezeichnungen sind s, p, d, f, und so weiter. Das Orbital der K-Schale wird demnach mit 1s bezeichnet. In der L-Schale befinden sich die Orbitale 2s und 2p, die M-Schale umfasst die Orbitale 3s, 3p und 3d. In der N-Schale befinden sich die Orbitale 4s, 4p, 4d und 4f. Als Besonderheit sollte man sich hier merken, dass das 4s-Orbital energetisch niedriger liegt als das 3d-Orbital. Das Gleiche gilt für das 4d- und 5s-Orbital. Das ist der Grund, warum die Nebengruppen im Periodensystem zwischen der zweiten und dritten Hauptgruppe liegen.

  • Benenne die Hauptgruppen des Periodensystems der Elemente.

    Tipps

    In Halogenlampen ist Iod enthalten.

    Lösung

    Elemente, die untereinander stehen, haben oft ähnliche Eigenschaften. Da schon früh aufgefallen ist, dass sich diese Eigenschaften der Elemente periodisch wiederholen, wurden die Elemente dementsprechend aufgelistet – so entstand das Periodensystem der Elemente. Die ähnlichen Eigenschaften hängen mit einer ähnlichen Elektronenkonfiguration der Elemente zusammen.

    Schon früh wurden daher die Elemente zu Gruppen zusammengefasst und nach bestimmten Eigenschaften benannt. Alkalimetalle sind Metalle und bilden stark alkalische Verbindungen, ebenso die Erdalkalimetalle. Die Namen Erdalkalimetalle und Erdmetalle weisen darauf hin, dass diese Elemente häufig in Erzen (früher auch Erden genannt) gefunden werden können.

    Der Name Chalkogene stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie Erzbildner. Dies deutet bereits darauf hin, dass es sich bei den Erzen von Metallen um Verbindungen mit Elementen aus dieser Gruppe handelt. Der Name Halogene stammt aus dem Griechischen und bedeutet Salzbildner. Die meisten Salze werden mit diesen Elementen gebildet, zum Beispiel das Kochsalz mit Chlor, $NaCl$. Edelgase werden nach ihrem edlen Charakter benannt – sie gehen kaum Reaktionen mit anderen Elementen ein und kommen fast nie in Verbindungen vor.

  • Bestimme die Art der äußeren Orbitale.

    Tipps

    Die Nebengruppenelemente werden auch als d-Block-Elemente bezeichnet.

    Lösung

    Das Periodensystem der Elemente ist so aufgebaut, dass man auf einen Blick erkennen kann, welcher Art die äußeren Orbitale sind. Der erste Block wird von den s-Elementen gebildet. Diese umfassen pro Schale (= Periode) zwei Elemente.

    Die Elemente, die p-Orbitale als äußere Orbitale haben, liegen rechts davon. Dazwischen liegen die d-Elemente, da die s-Orbitale der höheren Schalen energetisch niedriger liegen als die d-Orbitale der davor liegenden Schale. Es wird also zunächst das 4s-Orbital gefüllt, bevor die 3d-Orbitale gefüllt werden. Dies gibt die Anordnung der Blöcke im Periodensystem wieder.

    Das Helium wird getrennt vom restlichen s-Block ganz rechts oben eingetragen. Dies zeigt seine Zugehörigkeit zu den Edelgasen, bei denen die jeweilige Schale vollständig gefüllt ist.

    Die f-Elemente werden häufig unter dem restlichen Periodensystem dargestellt. Eigentlich gehören sie jedoch zwischen La und Hf bzw. Ac und Rf. Dies entspricht der energetischen Lage der f-Orbitale.

  • Bestimme die höchstmögliche Anzahl an Elektronen mit Hauptquantenzahl n = 3.

    Tipps

    Die magnetische Quantenzahl geht von -l bis +l, wobei nur ganzzahlige Werte angegeben werden.

    s-Orbitale entsprechen der Nebenquantenzahl l = 0, p-Orbitale l = 1 und d-Orbitale l = 2.

    Lösung

    Die höchstmögliche Anzahl der Elektronen mit der gleichen Hauptquantenzahl wächst mit der Hauptquantenzahl schnell an. Das liegt daran, dass mit der Hauptquantenzahl die Anzahl der Nebenquantenzahlen um eins wächst.

    Nun wächst mit der Nebenquantenzahl auch die Anzahl der magnetischen Quantenzahlen bei gleicher Nebenquantenzahl. Zur Nebenquantenzahl l gehören die magnetischen Quantenzahlen mit ganzzahligen Werten von -l bis +l. Zu l = 1 gehören m = -1, m = 0, m = 1, also drei magnetische Quantenzahlen. Bei l = 2 sind es schon fünf: m = -2, m = -1, m = 0, m =1 und m = 2.

    Jedes dieser Orbitale kann nun mit zwei Elektronen besetzt werden. Daher wächst die Anzahl der Elektronen mit der gleichen Hauptquantenzahl so schnell an: In der K-Schale kann es nur zwei Elektronen geben, die im einzigen Orbital sind (1s). In der L-Schale sind es schon acht Elektronen: zwei aus dem 2s-Orbital, sechs aus den drei 2p-Orbitalen. In der M-Schale sind es, wie du gerade festgestellt hast, 18 Elektronen, in der N-Schale bereits 2+6+10+14 = 32 Elektronen.

  • Charakterisiere die Art des äußersten Orbitals.

    Tipps

    Schaue im Periodensystem nach, in welcher Gruppe das Element steht.

    Die Farben der Elementsymbole entsprechen den Farben der Blöcke im Periodensystem.

    Lösung

    Die Einteilung der Elemente im Periodensystem in die Blöcke hilft dir dabei herauszufinden, welcher Art das äußerste Orbital eines Elementes ist. Meist sind die Blöcke auch entsprechend eingefärbt, so dass dies auf den ersten Blick zu erkennen ist.

    Du musst also nur das entsprechende Element im Periodensystem finden. Anschließend überlegst du, welche Orbitale in diesem Block die äußeren sind. Bei den Metallen Gold und Cobalt sind dies die d-Orbitale. Beim Kalium ist das 4s-Orbital das äußerste und beim Phosphor ein 3p-Orbital.

    Das Samarium ist ein Seltenerdmetall oder Lanthanoid. Das äußerste Orbital ist daher ein 4f-Orbital.

  • Analysiere, in welchen Quantenzahlen sich die Orbitale unterscheiden.

    Tipps

    Wenn es nur eine magnetische Quantenzahl gibt, kann sich diese bei zwei Orbitalen mit der gleichen Nebenquantenzahl nicht unterscheiden.

    Lösung

    Der Zustand eines Elektrons lässt sich mit Hilfe der vier Quantenzahlen eindeutig beschreiben. Das heißt, zu jedem Elektron eines Atoms gehört genau eine Kombination der vier Quantenzahlen. Die Hauptquantenzahl gibt die Schale an, in der sich das Elektron befindet. Diese unterscheidet sich bei den beiden angegebenen Elektronen: Das 3s-Orbital ist in der M-Schale (n=3), das 5s-Orbital in der O-Schale (n=5). Da es sich bei beiden Orbitalen um s-Orbitale handelt, unterscheidet sich die Nebenquantenzahl nicht (l=0).

    Die s-Orbitale sind nicht energetisch entartet, das heißt, es gibt keine zwei s-Orbitale mit gleicher Energie. Daher gibt es bei s-Orbitalen nur eine magnetische Quantenzahl (m=0). Auch hier unterscheiden sich das 3s- und das 5s-Orbital nicht.

    Da es sich jedoch um Elektronen mit einem Spin von $1 \over 2$ und $=-{{1} \over {2}}$ handelt, unterscheiden sich die Elektronen in ihrer Spinquantenzahl.

    Die oben angegebenen Elektronen lassen sich also mit folgenden Quantenzahlen eindeutig beschreiben:

    • n = 3, l = 0, m = 0, s = ${{1} \over {2}}$ und
    • n = 3, l = 0, m = 0, s = $-{{1} \over {2}}$.