Über dieses Experiment
Warum verhalten sich Natrium und Kalium so ähnlich, und warum hat das Periodensystem seine ungewöhnliche Form? Die Antwort liegt darin, wie die Elektronen um den Atomkern angeordnet sind. Elektronen besetzen Energiezustände und Orbitale in einer festgelegten Reihenfolge, jeweils zwei mit entgegengesetztem Spin pro Orbital, und verteilen sich zunächst auf gleichwertige Orbitale, bevor sie sich paaren. Baue Atome von Wasserstoff bis Krypton Proton für Proton auf, vergleiche das Schalenmodell mit dem Orbitalmodell und bilde Ionen, um zu sehen, welche Elektronen zuerst abgegeben werden.
Lernziele
- Schreibe die Elektronenkonfiguration der Elemente 1 bis 36 vollständig und in der Edelgas-Kurzschreibweise auf
- Wende das Aufbauprinzip, das Pauli-Prinzip und die Hundsche Regel an
- Verknüpfe die Schalenverteilung 2, 8, 8 mit dem vollständigen Unterschalenmodell
- Erkläre, wie sich die s-, p- und d-Blöcke des Periodensystems aus der Reihenfolge der Elektronenbesetzung ergeben.
- Schreibe Elektronenkonfigurationen von Ionen auf, einschließlich Übergangsmetallionen.
Anleitung
- 1Drücke auf „Aufbauen“ und beobachte die Atome von Wasserstoff bis Krypton. Welche Unterschale wird nach 3p besetzt, und warum ist es nicht 3d?
- 2Halte bei Stickstoff an. Wie sind die drei 2p-Elektronen auf die Kästchen verteilt? Wie viele sind ungepaart? Vergleiche mit Sauerstoff.
- 3Vergleiche die Elektronenkonfigurationen von Lithium, Natrium und Kalium. Was haben sie gemeinsam, und wie erklärt das ihr chemisches Verhalten?
- 4Sieh dir die Tabelle unten an. In welchem Block befindet sich das aktuelle Element, und wie passt das zur zuletzt besetzten Unterschale?
- 5Gehe zu Chrom und Kupfer. Worin weichen sie vom einfachen Muster ab? Lies den Hinweis.
- 6Bilde Na⁺, Cl⁻ und O²⁻. Welche Edelgaskonfiguration erreicht jedes Ion?
- 7Bilde Fe²⁺ und Fe³⁺. Welche Elektronen werden zuerst abgegeben? Warum ist Fe³⁺ besonders stabil?
- 8Wechsle zwischen der Schalenreihenfolge und der Besetzungsreihenfolge. Welche Konvention verwendet deine Prüfungsbehörde?
Das Modell
Annahmen
- Grundzustände freier Atome und Ionen in der Gasphase. Berücksichtigt werden nur die Elemente 1 bis 36.
- Das neutrale Atom folgt der Besetzungsreihenfolge nach n + l, mit Ausnahme von Chrom (3d⁵ 4s¹) und Kupfer (3d¹⁰ 4s¹), den einzigen Ausnahmen in diesem Bereich.
- Positive Ionen geben zuerst Elektronen aus der äußersten Schale ab und innerhalb einer Schale zuerst p- und dann s-Elektronen. Negative Ionen nehmen Elektronen gemäß der Besetzungsreihenfolge auf.
- Die Orbitalboxen dienen der Übersicht: Die Pfeile zeigen Spin-up und Spin-down, keine tatsächliche Bewegung.
Im Unterricht ausprobieren
- Q1Gib die vollständige Elektronenkonfiguration von Schwefel und von S²⁻ an.
- Q2Ein Element hat die Elektronenkonfiguration [Ar] 3d³ 4s². Nenne es und gib seine Gruppe an.
- Q3Wie viele ungepaarte Elektronen hat ein Manganatom? Und Mn²⁺?
- Q4Warum wird 4s bei Kalium und Calcium vor 3d besetzt, aber beim Bilden von Sc³⁺ werden zuerst die 4s-Elektronen abgegeben?
- Q5Warum haben Elemente derselben Gruppe ähnliche chemische Eigenschaften?
Häufig gestellte Fragen
Soll 4s vor oder nach 3d geschrieben werden?
Beides ist gebräuchlich. Die Schreibweise in der Reihenfolge der Schalen ([Ar] 3d⁶ 4s²) entspricht dem IUPAC-Stil und wird von vielen Prüfungsausschüssen verwendet. Die Schreibweise in der Auffüllreihenfolge ([Ar] 4s² 3d⁶) zeigt, in welcher Reihenfolge die Unterschalen besetzt wurden. Prüfe, welche Schreibweise in deinem Kurs verwendet wird; im Labor werden beide gezeigt.
Warum ist die 2, 8, 8-Regel nicht die ganze Geschichte?
Die dritte Schale kann 18 Elektronen aufnehmen, aber 4s hat eine geringere Energie als 3d. Deshalb beginnt die vierte Schale bei Kalium, bevor die dritte vollständig besetzt ist. Das einfache Muster 2, 8, 8 gilt nur bis Calcium.
Gibt es weiter unten im Periodensystem noch mehr Ausnahmen?
Ja. Auch Molybdän, Silber, Gold und einige weitere Elemente weichen von der einfachen Reihenfolge ab. Bei schweren Elementen liegen die Energien so nahe beieinander, dass sich die Elektronenkonfigurationen ohne Berechnung nur schwer vorhersagen lassen.