Einführung in die Chemie
Lernziel
- Unterscheidung zwischen Elektronenorbitalen im Bohr-Modell und quantenmechanischen Orbitalen
Schlüsselpunkte
- Das Bohr-Modell des Atoms spiegelt nicht genau wider, wie Elektronen räumlich um den Kern verteilt sind, da sie den Kern nicht umkreisen, wie die Erde die Sonne umkreist.
- Die Elektronenorbitale sind das Ergebnis mathematischer Gleichungen aus der Quantenmechanik, die als Wellenfunktionen bekannt sind und innerhalb einer bestimmten Wahrscheinlichkeit vorhersagen können, wo sich ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden könnte.
- Die Anzahl und Art der Orbitale nimmt mit zunehmender Ordnungszahl zu und füllt verschiedene Elektronenhüllen aus.
- Der Bereich, in dem sich ein Elektron am wahrscheinlichsten befindet, wird als Orbital bezeichnet.
Terms
- Elektronenhülledie kollektiven Zustände aller Elektronen in einem Atom mit der gleichen Hauptquantenzahl (visualisiert als Umlaufbahn, in der sich die Elektronen bewegen).
- Orbiteine Spezifikation der Energie- und Wahrscheinlichkeitsdichte eines Elektrons an einem beliebigen Punkt in einem Atom oder Molekül.Obwohl es nützlich ist, die Reaktivität und chemische Bindung bestimmter Elemente zu erklären, spiegelt das Bohr-Modell des Atoms nicht genau wider, wie Elektronen räumlich um den Kern verteilt sind. Sie umkreisen den Kern nicht so, wie die Erde die Sonne umkreist, sondern befinden sich in Elektronenorbitalen. Diese relativ komplexen Formen resultieren aus der Tatsache, dass sich Elektronen nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen verhalten. Mathematische Gleichungen aus der Quantenmechanik, die als Wellenfunktionen bekannt sind, können innerhalb einer bestimmten Wahrscheinlichkeit vorhersagen, wo sich ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden könnte. Der Bereich, in dem ein Elektron am wahrscheinlichsten gefunden wird, wird als Orbital bezeichnet.
Erste Elektronenhülle
Das dem Kern am nächsten gelegene Orbital, das 1s-Orbital, kann bis zu zwei Elektronen aufnehmen. Dieses Orbital entspricht der innersten Elektronenhülle des Bohr-Modells des Atoms. Es wird das 1s-Orbital genannt, weil es um den Kern herum kugelförmig ist. Das 1s-Orbital wird immer vor jedem anderen Orbital gefüllt. Wasserstoff hat ein Elektron; Daher hat es nur einen Punkt innerhalb des 1s-Orbital besetzt. Dies wird als 1s1 bezeichnet, wobei sich die hochgestellte 1 auf das eine Elektron innerhalb des 1s-Orbital bezieht. Helium hat zwei Elektronen; Daher kann es das 1s-Orbital vollständig mit seinen beiden Elektronen füllen. Dies wird als 1s2 bezeichnet und bezieht sich auf die beiden Elektronen von Helium im 1s-Orbital. Im Periodensystem sind Wasserstoff und Helium die einzigen beiden Elemente in der ersten Reihe (Periode); Dies liegt daran, dass sie die einzigen Elemente sind, die Elektronen nur in ihrer ersten Schale, dem 1s-Orbital, haben.
Zweite Elektronenhülle
Die zweite Elektronenhülle kann acht Elektronen enthalten. Diese Schale enthält ein weiteres kugelförmiges s-Orbital und drei „Hantel“ -förmige p-Orbitale, von denen jedes zwei Elektronen aufnehmen kann . Nachdem das 1s-Orbital gefüllt ist, wird die zweite Elektronenhülle gefüllt, wobei zuerst das 2s-Orbital und dann die drei p-Orbitale gefüllt werden. Beim Füllen der p-Orbitale nimmt jedes ein einzelnes Elektron; Sobald jedes p-Orbital ein Elektron hat, kann ein zweites hinzugefügt werden. Lithium (Li) enthält drei Elektronen, die die erste und zweite Schale besetzen. Zwei Elektronen füllen das 1s-Orbital und das dritte Elektron füllt dann das 2s-Orbital. Seine Elektronenkonfiguration ist 1s22s1. Neon (Ne) hingegen hat insgesamt zehn Elektronen: Zwei befinden sich in seinem innersten 1s-Orbital und acht füllen seine zweite Schale (jeweils zwei in den 2s- und drei p-Orbitalen). Somit ist es ein Inertgas und energetisch stabil: Es bildet selten eine chemische Bindung mit anderen Atomen.
Diagramm der S- und P-orbitalsDie s-Teilschalen sind wie Kugeln geformt. Sowohl die 1n- als auch die 2n-Hauptschale haben ein s-Orbital, aber die Größe der Kugel ist im 2n-Orbital größer. Jede Kugel ist ein einzelnes Orbital. p-Subschalen bestehen aus drei hantelförmigen Orbitalen. Die Hauptschale 2n hat eine p-Unterschale, die Schale 1 jedoch nicht. Dritte Elektronenhülle
Größere Elemente haben zusätzliche Orbitale, die die dritte Elektronenhülle bilden. Die Subschalen d und f haben komplexere Formen und enthalten fünf bzw. sieben Orbitale. Die Hauptschale 3n hat s-, p- und d-Subschalen und kann 18 Elektronen aufnehmen. Die Hauptschale 4n hat s-, p-, d- und f-Orbitale und kann 32 Elektronen aufnehmen. Wenn Sie sich vom Kern entfernen, nimmt die Anzahl der Elektronen und Orbitale in den Energieniveaus zu. Fortschreitend von einem Atom zum nächsten im Periodensystem, Die Elektronenstruktur kann durch Einpassen eines zusätzlichen Elektrons in das nächste verfügbare Orbital ausgearbeitet werden. Während die Konzepte von Elektronenschalen und Orbitalen eng miteinander verwandt sind, liefern Orbitale eine genauere Darstellung der Elektronenkonfiguration eines Atoms, da das Orbitalmodell die verschiedenen Formen und speziellen Orientierungen aller Orte angibt, die Elektronen einnehmen können.
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