Periodensystem

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Aufbau des Periodensystems

In den üblichen Darstellungen des Periodensystems nimmt die Anzahl der Protonen im Kern in jeder Zeile von links nach rechts jeweils um eins zu. Analog nimmt die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle um eines zu. Am Beginn einer neuen Zeile des Periodensystems startet für die Elektronen das Auffüllen einer neuen Schale, am Ende einer Zeile ist die Schale voll gefüllt. In den Zeilen von oben nach unten wird jeweils eine weitere Schale (zwiebelartig) mit Elektronen gefüllt. Vertikale Spalten bilden eine Hauptgruppe. Sie haben die gleiche Elektronenkonfiguration in den s- und p-Orbitalen der äußersten Schale. Die atomare Elektronenhülle besteht aus Schalen, die

  • nach bestimmten Muster aufgefüllt werden,
  • nach bestimmten Muster bezeichnet werden,
  • zu bestimmten Energien führen,
  • zu bestimmten Spektren führen.

Schalenstruktur der Elektronenhülle

Schalen der Elektronenhülle werden entweder durch die Energiequantenzahl n oder durch einen Großbuchstaben bezeichnett: n = 1 ist die K-Schale, n = 2 is die L-Schale, n = 3 die M-Schale usw. Jede Schale enthält bestimmte atomare Orbitale. Die Orbitale werden jeweils mit der Zahl n und einem kleinen Buchstaben der Buchstaben s, p, d, g oder h bezeichnet, z. B. "3d". Die Zahl n gibt an, zu welcher Schale das Orbital gehört und ist verknüpft mit der Energie, die ein Elektron hat, wenn es einen Platz im Orbital besetzt. Der Buchstabe gibt an, welcher Bahndrehimpuls (genauer: welche Bahndrehimpulsquantenzahl l) mit dem Orbital verknüpft ist. Dabei gilt s: l = 0, p: l = 1, d: l = 2, f: l = 3, g: l = 4, h: l = 5. Die Zahlen und damit die Energie der Schalen nehmen von innen nach außen zu. Innerhalb einer Schale nimmt die Bahndrehimpulsquantenzahl l ebenfalls bis zum Maximalwert von n-1 und es gilt: 0 ≤ ln-1 zu. Die Orbitale können eine unterschiedliche Anzahl Ne von Elektronen aufnehmen, die von der Bahndrehimpulsquantenzahl l abhängt: $N_e=2(2l+1)$

  • s-Orbitale haben den Bahndrehimpuls l = 0 und können 2 Elektronen aufnehmen.
  • p-Orbitale haben den Bahndrehimpuls l = 1 und können 6 Elektronen aufnehmen.
  • d-Orbitale haben den Bahndrehimpuls l = 2 und können 10 Elektronen aufnehmen.
  • f-Orbitale haben den Bahndrehimpuls l = 3 und können 14 Elektronen aufnehmen.
  • g-Orbitale haben den Bahndrehimpuls l = 4 und können 18 Elektronen aufnehmen.
  • h-Orbitale haben den Bahndrehimpuls l = 5 und können 20 Elektronen aufnehmen.

Die Schalen bestehen aus folgenden Orbitalen und können folgende Elektronen aufnehmen:

  • n=1, K-Schale: 1s → 2 Elektronen
  • n=2, L-Schale: 2s, 2p → 8 Elektronen
  • n=3, M-Schale: 3s, 3p, 3d → 18 Elektronen
  • n=4, N-Schale: 4s, 4p, 4d, 4f → 32 Elektronen
  • n=5, O-Schale: 5s, 5p, 5d, 5f, 5g → 50 Elektronen
  • n=6, P-Schale: 6s, 6p, 6d, 6f, 6g, 6h → 70 Elektronen

Besetzung der Schalen

Die Orbitale werden von innen nach außen unter Berücksichtigung des Pauli-Prinzips aufgefüllt, d.h. keine zwei Elektronen können in allen Quantenzahlen übereinstimmen. Daher unterscheiden sich Elektronen, die das gleiche Orbital besetzen in weiteren Quantenzahlen: Ihrer Magnetquantenzahl ml und ihrer Spinquantenzahl s. Diese Unterscheidung wird jedoch im Periodensystem nicht direkt sichtbar.

Bereits ab n=3 werden die Orbitale nicht mehr in der regulären Reihenfolge mit zunehmendem n und l gefüllt, sondern das 4s-Orbital wird z.B. vor dem 3d-Orbital besetzt. Die Reihenfolge ergibt sich durch die Summe n+l. Wenn die Summe für zwei Orbitale gleich ist, wird das Orbital mit dem kleineren n zuerst gefüllt.

Beispiel: Für ein 4s-Orbital ist n + l = 4 + 0 = 4. Für ein 3d-Orbital ist n + l = 3 + 2 = 6. Daher wird das 4s-Orbital vor dem 3d-Orbital gefüllt. Für ein 3p-Orbital ist n + l = 3 + 1 = 4. Da 3 < 4 ist, wird das 3p-Orbital vor dem 4s-Orbital gefüllt.

Elektronenkonfiguration und chemische Eigenschaften

Besonders stabile Elektronenhüllen entstehen, wenn die s- und p-Orbitale zu einer Hauptquantenzahl n vollständig gefüllt sind. Diese Elemente bilden die Edelgase. Sie sind chemisch kaum reaktiv.

Besonders reaktionsfreudige Elemente entstehen, wenn die Elektronenhüllen nahe an der eines Edelgases sind.

Wenn nur ein Elektron zum Edelgas fehlt, d.h., wenn in den s- und p-Orbitale zu einer Hauptquantenzahl n nur ein Elektron fehlt, handelt es sich um ein Halogen. Halogene nehmen sehr leicht ein Elektron auf. Sie stehen in der 7. Hauptgruppe.

Wenn ein Elektron zum Edelgas hinzu kommt, d.h., wenn die s- und p-Orbitale zu einer Hauptquantenzahl n vollständig gefüllt sind und nur ein weiteres Elektron vorhanden ist, handelt es sich um ein Alkali-Element. Alakalis geben sehr leicht ein Elektron ab. Sie stehen in der 1. Hauptgruppe.

Wenn zwei Elektronen zum Edelgas hinzu kommen, d.h., wenn die s- und p-Orbitale zu einer Hauptquantenzahl n vollständig gefüllt sind und zwei weitere Elektronen vorhanden sind, handelt es sich um ein Erdalkali-Element. Erdalakalis geben ebenfalls sehr leicht Elektronen ab. Sie stehen in der 2. Hauptgruppe.

Drehimpuls und Spin des Atoms

Die Bahndrehimpulse l und Spins s der einzelnen Elektronen addieren sich (i.d.R., d.h. in LS-Kopplung) zum Gesamtbahndrehimpuls L und zum Gesamtspin S des Atoms. Gesamtbahndrehimpuls L und Gesamtspin S addieren sich wiederum zum Gesamtdrehimpuls J des Atoms: J=L+S.

  • Wenn alle 2n2-Plätze zu einem n vollständig gefüllt sind, also eine abgeschlossene Schale vorliegt, ist der Gesamtspin S=0, der Gesamtbahndrehimpuls L=0, der Gesamtdrehimpuils J=0 und das Atom ist kugelsymmetrisch.

Halogene und Alkalis haben dagegen immer ein ungepaartes Elektron und daher den Gesamtspin S= 1/2.

Im übrigen folgen die Gesamtdrehimpulse und Gesamtspins den Hund'schen Regeln:

  • Der Gesamtspin S nimmt den maximal möglichen Wert an.
  • Der Gesamtbahndrehimpuls L nimmt den maximal möglichen Wert an.
  • Der Gesamtdrehimpils J ist minimal wenn die Schale weniger als halbvoll ist und maximal, wenn die Schale mehr als halbvoll ist.