LOGIN | NEU REGISTRIEREN

Schule > Chemie > Atombau und Periodensystem > Das Orbitalmodell und seine Auswirkung im Periodensystem

Das Orbitalmodell

Orbitale sind Schalen und somit Aufenthaltsorte der Elektronen. Dies hängt mit der physikalischen Eigenschaft sogenannter Wellen zusammen. Die Wellen bewegen sich zwar nicht im Raum, schwingen jedoch ständig auf und ab.
An jeder dieser Wellen gibt es gewisse Punkte, die sich nie bewegen, sogenannte Knoten.
Die Anzahl der Knoten hängt von der jeweiligen Welle ab, von zwei Knoten, bis hin zu unendlich vielen ist alles möglich.

Nun können diese stehenden Wellen verschiedene Formen haben. Stellt man sich dies dreidimensional vor, erhält man die Schrödingergleichung, die diese Formen beschreibt!
Die verschiedenen Formen geben das Energieniveau der sich darin befindenden Elektronen an. In jede Form passen exakt 2 Elektronen, eines mit Up-Spin, das andere mit Down-Spin, so dass sie sich gegenseitig ausgleichen.
Diese Formen werden in verschiedene Schalen eingeteilt. Von Innen nach Außen befinden sich die K-Schale, die L-Schale, die M-Schale, die N-Schale, usw.
> Auf der 1. Schale, der K-Schale, können sich bis zu 2 Elektronen befinden.
> Auf der 2. Schale, der L-Schale, können sich bis zu 8 Elektronen befinden.
> Auf der 3.Schale, der M-Schale, können sich insgesamt bis zu 18 Elektronen befinden, vorerst wird sie jedoch nur mit 8 Elektronen befüllt.
> Auf der 4. Schale, der N-Schale, können sich bis zu 32 Elektronen befinden, doch auch sie wird vorerst nur mit 8 befüllt...

o In der 1.Schale sind deshalb nur 2 Elektronen, weil sich dort nur genau 2 Knoten befinden. Ausgehend von diesen Knoten kann es nur eine mögliche Wellenform geben.
o In der 2. Schale sind drei Knoten. Mit drei Knoten sind jedoch nun vier verschiedene
Wellenformen möglich, die sich jeweils mit 2 Elektronen befüllen lassen insgesamt 8
Elektronen.
o 3.Schale: 9 verschiedene Wellenformen 18 Elektronen

So erhält man also die Anzahl der Elektronen für die verschiedenen Schalen.
Der Grund, warum man die Schalen anfangs immer nur mit bis zu 8 Elektronen füllt liegt im Orbitalmodell. Das ganze lässt sich auch durch ein Energiediagramm veranschaulichen:
Das Diagramm zeigt, dass die p-Orbitale mehr Energie brauchen, als die s-Orbitale und die d-Orbitale wiederrum mehr.
Nun ist das s Orbital der N schale jedoch energetisch günstiger, als das d-Orbital der M-Schale das s-Orbital der N-Schale liegt also im Elektronendiagramm tiefer. Dieser Vorgang wiederholt sich.

Das s-Orbital der O-Schale liegt günstiger als das d-Orbital der N-Schale
Das d Orbital der O-Schale energetisch günstiger, als das f-Orbital der N-Schale
Fazit: Die Elektronen befüllen die Schalen immer am energetisch günstigsten.
Einige Beispiele:
> Wasserstoff (H) hat ein Elektron (Up-Spin), das ins s-Orbital gesetzt wird
> Helium (He) hat 2 Elektronen (1 Up-Spin, ein Down-Spin), die beide ins s-Orbital gesetzt werden. Somit ist dieses fertig befüllt Helium ist ein Edelgas

> Kohlenstoff C hat 6 Elektronen - es werden also erst die s-Orbitale der K- und L-Schale voll befüllt, danach das am energetisch nächstgünstigere p-Orbital der L-Schale mit den verbleibenden 2 Elektronen.

> Kalium K hat 19 Elektronen, man befüllt also alle Orbitale der Reihe nach: zuerst die K-Schale; dann die L-Schale; danach s- und p-Orbital der M-Schale. Doch nun geht man bei der Elektronenverteilung nicht etwa in der M-Schale weiter. Das s-Orbital der N-Schale zu befüllen erfordert weniger Energie.

Beim Verteilen der Elektronen auf die Orbitale geht man also nicht nach Schalen, sondern nach Energieniveau vor!
Dies erkennt man auch im Periodensystem der Elemente wieder:
Die Elemente H und He, mit einem und zwei Elektronen, bilden die erste waagrechte Reihe im Periodensystem das erste, vollständig befüllte s-Orbital.
In der nächsten Reihe befüllen die Elemente Li und Be das s-Orbital der der L-Schale, auf der rechten Seite befindet sich das p-Orbital, mit den Elementen B, C, N, O, F und Ne. Insgesamt kommt man für diese Reihe also wieder auf genau 8 Stoffe die L-Schale lässt sich mit bis zu 8 Elektronen befüllen.
In der dritten Reihe befinden sich erst einmal wieder nur s- und p-Orbital wieder 8 Elemente. Doch dann, in der 4. Reihe, beginnt der Sprung:
Man findet hier nicht das d-Orbital, welches eigentlich folgen müsste, sondern das energetisch nächstgünstigere s-Orbital der N-Schale, mit den Elementen K und Ca.
Erst danach folgt das d-Orbital der M-Schale.
Dies erklärt auch, warum man die Schalen anfangs immer nur mit bis zu acht Elektronen befüllt es ist energetisch günstiger!

Somit ist klar: Das Periodensystem spiegelt also das Orbitalmodell mit dem Energiediagramm wieder und erklärt die Anordnung der Elemente!

Download: PDF, DOCX