Orbital-Diagramme erstellen

Inhalt

• TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
• Elektronenkonfigurationen
• Kurznotation für die Konfiguration
• Bahndiagramme
• Punktdiagramme

Elektronenorbitaldiagramme und schriftliche Konfigurationen zeigen Ihnen, welche Orbitale für ein Atom gefüllt und welche teilweise gefüllt sind. Die Anzahl der Valenzelektronen wirkt sich auf ihre chemischen Eigenschaften aus, und die spezifische Reihenfolge und Eigenschaften der Orbitale sind in der Physik wichtig, sodass sich viele Schüler mit den Grundlagen auseinandersetzen müssen. Die gute Nachricht ist, dass Orbitaldiagramme, Elektronenkonfigurationen (sowohl in Kurz- als auch in Vollform) und Punktdiagramme für Elektronen wirklich einfach zu verstehen sind, wenn Sie ein paar Grundlagen verstanden haben.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Elektronenkonfigurationen haben das Format: 1s² 2s² 2p⁶ . Die erste Zahl ist die Hauptquantenzahl (n), und der Buchstabe repräsentiert den Wert von l (Drehimpulsquantenzahl; 1 = s, 2 = p, 3 = d und 4 = f) für das Orbital, und die hochgestellte Zahl gibt an Sie, wie viele Elektronen in diesem Orbital sind. Orbitaldiagramme verwenden dasselbe Grundformat, aber anstelle von Zahlen für die Elektronen verwenden sie die Pfeile ↑ und ↓ und geben jedem Orbital eine eigene Linie, um auch die Spins der Elektronen darzustellen.

Elektronenkonfigurationen

Elektronenkonfigurationen werden durch eine Notation ausgedrückt, die wie folgt aussieht: 1s² 2s² 2p¹. Lernen Sie die drei Hauptteile dieser Notation kennen, um zu verstehen, wie sie funktioniert. Die erste Zahl gibt Ihnen das „Energieniveau“ oder die Hauptquantenzahl (n) an. Der zweite Buchstabe zeigt Ihnen den Wert von (l), die Drehimpulsquantenzahl. Für l = 1 ist der Buchstabe s, für l = 2 ist es p, für l = 3 ist es d, für l = 4 ist es f und für höhere Zahlen nimmt es ab diesem Punkt alphabetisch zu.Denken Sie daran, dass s-Orbitale maximal zwei Elektronen enthalten, p-Orbitale maximal sechs, d maximal 10 und f maximal 14.

Das Aufbau-Prinzip besagt, dass die Orbitale mit der niedrigsten Energie zuerst gefüllt werden, aber die spezifische Reihenfolge ist nicht so sequentiell, dass man sie sich leicht merken kann. Ein Diagramm mit der Füllreihenfolge finden Sie unter Ressourcen. Es ist zu beachten, dass die n = 1-Ebene nur s-Orbitale aufweist, die n = 2-Ebene nur s- und p-Orbitale aufweist und die n = 3-Ebene nur s-, p- und d-Orbitale aufweist.

Diese Regeln sind einfach zu handhaben, daher lautet die Notation für die Konfiguration von Scandium:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

Dies zeigt, dass die gesamten Niveaus n = 1 und n = 2 voll sind, das Niveau n = 4 begonnen wurde, aber die 3D-Schale nur ein Elektron enthält, während sie eine maximale Belegung von 10 aufweist. Dieses Elektron ist das Valenzelektron.

Identifizieren Sie ein Element aus der Notation, indem Sie einfach die Elektronen zählen und das Element mit einer passenden Ordnungszahl finden.

Kurznotation für die Konfiguration

Das Ausschreiben jedes einzelnen Orbitals für schwerere Elemente ist mühsam, daher verwenden Physiker häufig eine Kurzschreibweise. Dies funktioniert, indem die Edelgase (in der äußersten rechten Spalte des Periodensystems) als Ausgangspunkt verwendet und die Endorbitale hinzugefügt werden. Scandium hat also die gleiche Konfiguration wie Argon, mit Ausnahme von Elektronen in zwei zusätzlichen Orbitalen. Die Kurzform lautet daher:

4s² 3d¹

Weil die Konfiguration von Argon ist:

= 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

Sie können dies mit allen Elementen außer Wasserstoff und Helium verwenden.

Bahndiagramme

Orbitaldiagramme entsprechen der eben eingeführten Konfigurationsnotation, mit Ausnahme der angegebenen Elektronenspins. Verwenden Sie das Pauli-Ausschlussprinzip und die Hunds-Regel, um herauszufinden, wie Muscheln gefüllt werden. Das Ausschlussprinzip besagt, dass keine zwei Elektronen die gleichen vier Quantenzahlen teilen können, was im Grunde genommen zu Zustandspaaren führt, die Elektronen mit entgegengesetzten Spins enthalten. Die Hund-Regel besagt, dass die stabilste Konfiguration die mit der höchstmöglichen Anzahl paralleler Drehungen ist. Dies bedeutet, dass Sie beim Schreiben von Orbitaldiagrammen für teilweise volle Schalen alle Up-Spin-Elektronen ausfüllen müssen, bevor Sie Down-Spin-Elektronen hinzufügen.

Dieses Beispiel zeigt die Funktionsweise von Orbitaldiagrammen am Beispiel von Argon:

3p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

3s ↑ ↓

2p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

2s ↑ ↓

1s ↑ ↓

Die Elektronen werden durch die Pfeile dargestellt, die auch ihre Spins anzeigen, und die Notation links ist die Standardnotation für die Elektronenkonfiguration. Beachten Sie, dass sich die Orbitale mit der höheren Energie oben im Diagramm befinden. Für eine teilweise volle Hülle verlangt die Hund'sche Regel, dass sie auf diese Weise gefüllt werden (am Beispiel von Stickstoff).

2p ↑ ↑ ↑

2s ↑ ↓

1s ↑ ↓

Punktdiagramme

Punktdiagramme unterscheiden sich stark von Orbitaldiagrammen, sind aber immer noch sehr einfach zu verstehen. Sie bestehen aus dem Symbol für das Element in der Mitte, umgeben von Punkten, die die Anzahl der Valenzelektronen angeben. Zum Beispiel hat Kohlenstoff vier Valenzelektronen und das Symbol C, daher wird es dargestellt als:

∙

∙ C ∙

∙

Und Sauerstoff (O) hat sechs, also wird es dargestellt als:

∙

∙∙ O ∙

∙∙

Wenn Elektronen zwischen zwei Atomen geteilt werden (in kovalenter Bindung), teilen sich die Atome den Punkt im Diagramm auf die gleiche Weise. Dies macht den Ansatz sehr nützlich für das Verständnis der chemischen Bindung.