Quantenzahlen – K-Schale bis N-Schale 09:31 min

Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Video geht es um "Quantenzahlen: K- bis N-Schale". Als Vorkenntnisse solltet ihr wissen, was Quantenzahlen sind (ein Video dazu habe ich gedreht), außerdem solltet ihr eine ungefähre Vorstellung davon besitzen, was Orbitale sind. Mein Ziel ist es, euch eine systematische Darstellung der Quantenzahlen bis zur N-Schale zu liefern. Das Video habe ich in 4 Abschnitte unterteilt: 1. Vier Quantenzahlen 2. s-, p- und d-Orbitale 3. Die Quantenzahlen bis zur N-Schale 4. 2n2-Regel und Oktettregel Auf eine Zusammenfassung habe ich aus didaktischen Gründen verzichtet.   1. Vier Quantenzahlen Wir haben im Video über Quantenzahlen gelernt, dass jedes Elektron in einem Atom durch 4 Quantenzahlen beschrieben wird. Die 1. Quantenzahl ist die Hauptquantenzahl. Sie wird mit n abgekürzt und gibt den energetischen Zustand des Elektrons an. Die 2. Quantenzahl ist die Nebenquantenzahl. Sie wird mit l abgekürzt und gibt die entsprechenden Orbitale sowie eine Präzisierung der Energie an. Die 3. Quantenzahl ist die Magnetquantenzahl. Sie wird mit m abgekürzt. Die Magnetquantenzahl liefert eine Aussage über die Lage der Orbitale im Raum. Die 4. und letzte Quantenzahl ist die Spinquantenzahl. Sie wird mit s abgekürzt. Die Spinquantenzahl dient dazu, 2 Elektronen auf einem Orbital voneinander zu unterscheiden.   2. s-, p- und d-Orbitale Bevor wir zur Übersicht der Quantenzahlen kommen, möchte ich euch noch einmal die s-, p- und d-Orbitale visuell darstellen. Die Orbitale werden durch die Nebenquantenzahl l dargestellt. l=0 bedeutet s-Orbitale. Das ist ein s-Orbital. l=1 bedeutet p-Orbitale. Es gibt 3 p-Orbitale. l=2 bedeutet d-Orbital. Es gibt im Ganzen 5 d-Orbitale.   3. Die Quantenzahlen bis zur N-Schale Wir wollen nun die Quantenzahlen bis zur N-Schale systematisch in diese Tabelle eintragen. n ist die Hauptquantenzahl, l ist die Nebenquantenzahl, m ist die Magnetquantenzahl und s ist die Spinquantenzahl. In die vorletzte Spalte tragen wir die maximale Anzahl von Elektronen innerhalb einer Schale ein und daneben berechnen wir 2n2. n=1 entspricht der Schale K. Für l erhalten wir 0, das ist das 1s-Orbital. Für m ist dann nur 0 möglich. Für s haben wir 2 Werte: +1/2 und -1/2. Die maximale Anzahl an Elektronen beträgt 2. Das entspricht der Formel 2n2. n=2 entspricht der L-Schale. Wir wählen l=0, das ist das 2s-Orbital. Für m ist dann nur 0 möglich. S ergibt die beiden Werte +1/2 und -1/2. Die maximale Anzahl an Elektronen beträgt 2. Für l=1, das entspricht der 2p-Schale, erhalten wir für m die Werte 0, +1 und -1, für s (wie in jedem Fall) entweder +1/2 oder -1/2. Das ergibt eine maximale Anzahl an Elektronen von 6. Im Ganzen kann dann die L-Schale für n=2 mit 8 Elektronen besetzt werden. n=3 entspricht der M-Schale. Wir wählen l=0. Das ist das 3s-Orbital. Dort ist für m nur 0 möglich. Für s erhalten wir wie immer 2 Werte: +1/2 und -1/2. Die maximale Anzahl an Elektronen beträgt 2. Wir wählen für l=1. Das entspricht dem 3p-Orbital. Für m erhalten wir die Werte -1. 0 und +1. Für s gibt es wie immer 2 Möglichkeiten: +1/2 und - 1/2. Das ergibt maximal 6 Elektronen. Für l ist bei n=3 noch der Wert 2 möglich. Das entspricht dem 3d-Orbital. Im Ganzen gibt es 5 3d-Orbitale, denn für m erhalten wir alle Werte ganzzahlig von -2 bis +2. Für s gibt es wieder 2 Möglichkeiten: +1/2 und -1/2.  Also ergibt sich die maximale Anzahl an Elektronen von 2×5, also 10. Nach der Formel 2n2 ist somit  eine maximale Elektronenbesetzung von 18 Elektronen möglich. Und schließlich noch n=4. Diese Hauptquantenzahl entspricht der N-Schale. Wir beginnen mit der Nebenquantenzahl l=0. Das entspricht dem 4s-Orbital. Für m, die Magnetquantenzahl, ist nur ein Wert, 0, möglich. Für s, die Spinquantenzahl, gibt es 2 Werte: +1/2 und -1/2. Also beträgt die maximale Anzahl an Elektronen 2. l=1 entspricht den 4p-Orbitalen. Davon gibt es 3, denn m hat die Werte zwischen -1 und +1, ganzzahlig. Entsprechend erhalten wir wie immer für s +1/2 und -1/2. Die maximale Anzahl an Elektronen beträgt: Zahl der Werte bei s × Zahl der Werte bei m, also 6.  l=2 entspricht den 4d-Orbitalen. Im Ganzen gibt es davon 5, denn die Magnetquantenzahl m kann alle ganzzahligen Werte von -2 bis +2 annehmen. Die maximale Anzahl an Elektronen beträgt somit: Zahl der Werte der Magnetquantenzahl × Zahl der Werte der Spinquantenzahl, also 10. l=3 entspricht den 4f-Orbitalen. Man erhält davon im Ganzen 7, denn m kann alle ganzzahligen Werte zwischen -3 und +3 einnehmen. Und für s wie immer +1/2 und -1/2. Also beträgt die maximale Anzahl an Elektronen 14, denn s=2 und m=7. 2×7=14. Die maximal mögliche Anzahl an Elektronen auf der 4. Schale, der N-Schale, beträgt somit 32.  4. Die 2n2-Regel und die Oktettregel Wir haben im Abschnitt 3 gelernt: Die n-te Schale kann mit maximal 2n2 Elektronen besetzt sein. n=1. Wir erhalten: 2×12=2. Das betrifft die beiden Elemente Wasserstoff und Helium. n=2. Wir erhalten: 2×22=8. Das betrifft die chemischen Elemente Lithium, Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Neon. n=3. Wir rechnen: 2×32=18. Das betrifft die chemischen Elemente Natrium, Magnesium, Aluminium, Silicium, Phosphor, Schwefel, Chlor und Argon. Für n=1, 2 und 3 kann man auch die Schalenbezeichnung K, L, oder M wählen. Bei den Schalen L und M findet keine vollständige Besetzung statt. Hier gilt die sogenannte Oktettregel. Ich verweise auf entsprechende Videos. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.