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Elektronenkonfiguration

Der Wortteil Elektronen ist vom altgriechischen Wort „elektron“ abgeleitet, das in der Übersetzung Hellgold bedeutet, aber Bernstein gemeint ist. Bereits in der Antike wurde mithilfe von Bernstein die Elektrizität untersucht. Der Wortteil Konfiguration, bezogen auf Physik und Chemie, beinhaltet die räumliche Anordnung von Atomen in einem Molekül oder de Elementarteilchen eines Atoms.

Was ist eine Elektronenkonfiguration?

In der Atomphysik und der Quantenchemie ist die Elektronenkonfiguration die Verteilung der Elektronen eines Atoms oder Moleküls (oder einer anderen physikalischen Struktur) in Atom- oder Molekülorbitalen. Zum Beispiel die Elektronenkonfiguration des Neonatoms 1s² 2s² 2p⁶.

Elektronenkonfigurationen beschreiben, dass sich jedes Elektron unabhängig in einem Atomorbital bewegt, in einem Feld, das von allen Orbitalen erzeugt wird. Mathematisch werden Konfigurationen durch Konfigurationszustandsfunktionen beschrieben. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik ist für Systeme mit nur einem Elektron jeder Elektronenkonfiguration ein Energieniveau zugeordnet, und unter bestimmten Bedingungen können sich Elektronen durch Emission oder Absorption eines Energiequants von einer Konfiguration zur anderen bewegen, in Form eines Photons.

Die Kenntnis der Elektronenkonfiguration verschiedener Atome ist nützlich, um die Struktur des Periodensystems der Elemente zu verstehen. Sie ist auch nützlich, um die chemischen Bindungen zu beschreiben, die Atome zusammenhalten.

Schalen und Unterschalen

Die Elektronenkonfiguration wurde zuerst unter dem Bohr-Modell des Atoms konzipiert, und es ist immer noch üblich, von Schalen und Unterschalen zu sprechen, trotz der Fortschritte beim Verständnis der quantenmechanischen Natur von Elektronen. Eine Elektronenhülle ist die Menge zulässiger Zustände, die dieselbe Hauptquantenzahl n (die Zahl vor dem Buchstaben in der Orbitalbezeichnung) haben, die Elektronen einnehmen können. Die n-te Elektronenhülle eines Atoms kann 2n² Elektronen aufnehmen, z. B. Die erste Unterschale kann 2 Elektronen aufnehmen, die zweite Unterschale 8 Elektronen, die dritte Unterschale 18 Elektronen und so weiter. Der Faktor zwei ergibt sich, weil sich die zulässigen Zustände aufgrund des Elektronenspins verdoppeln. Jedes Atomorbital lässt bis zu zwei ansonsten identische Elektronen mit entgegengesetztem Spin zu, eines mit einem Spin +1/2 (normalerweise mit einem Aufwärtspfeil bezeichnet) und eines mit ein Spin -1/2 (mit einem Abwärtspfeil). Eine Schale ist die Menge von Zuständen, die durch eine gemeinsame azimutale Quantenzahl; ℓ, innerhalb einer Schale definiert sind. Der Wert von ℓ liegt im Bereich von 0 bis n-1. Die Werte ℓ = 0, 1, 2, 3 entsprechen den Bezeichnungen s, p, d bzw. f. Zum Beispiel hat die 3d-Unterschale n = 3 und l = 2. Die maximale Anzahl von Elektronen, die in einer Schale platziert werden können, ist durch 2 (2 ℓ + 1) gegeben. Dies ergibt zwei Elektronen in einer s-Schale, sechs Elektronen in einer p-Schale, zehn Elektronen in einer d-Schale und vierzehn Elektronen in einer f-Schale. Die Anzahl der Elektronen, die jede Schale und jede Unterschale besetzen können, ergibt sich aus den Gleichungen der Quantenmechanik. Insbesondere das Pauli-Ausschlussprinzip, das besagt, dass keine zwei Elektronen im selben Atom die gleichen Werte der vier Quantenzahlen haben können.

Quizfragen zum Thema Elektronenkonfiguration

1. Erkläre das Energieprinzip innerhalb der Elektronenkonfiguration

   Energieärmere Zustände werden zuerst besetzt.

2. Erkläre die HUNDsche Regel:

   Orbitale mit gleicher Energie oder mit gleicher Nebenquantenzahl ℓ werden zuerst einfach besetzt. Erst dann folgt die Besetzung mit einem zweiten Elektron.

3. Wie ist die Elektronenkonfiguration des Elements Mangan aufgebaut?

   1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s² oder in verkürzter Schreibweise [Ar]3d⁵4s²

4. Welche Ordnungszahl im Periodensystem besitzt Kohlenstoff und wie setzt sich die Elektronenkonfiguration zusammen?

   Kohlenstoff besitzt die Ordnungszahl 6 und die Elektronenkonfiguration setzt sich folgendermaßen zusammen: [He] 2s² 2p²

5. Wie wird die äußerste mit Elektronen besetzte Schale in der Elektronenhülle eines Atoms genannt?

   Sie wird Valenzschale genannt und beherbergt die Außenelektronen.

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