Wie man Orbitaldiagramme erstellt

Elektronenbahndiagramme und geschriebene Konfigurationen zeigen Ihnen, welche Orbitale für jedes Atom gefüllt und welche teilweise gefüllt sind. Die Anzahl der Valenzelektronen beeinflusst ihre chemischen Eigenschaften und die spezifische Anordnung und Eigenschaften der Orbitale sind in der Physik wichtig, daher müssen sich viele Schüler mit den Grundlagen. Die gute Nachricht ist, dass Orbitaldiagramme, Elektronenkonfigurationen (sowohl in Kurzschrift als auch in voller Form) und Punktdiagramme für Elektronen sehr einfach zu verstehen sind, wenn man sich ein paar Grundlagen angeeignet hat.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Elektronenkonfigurationen haben das Format: 1s² 2s² 2p⁶. Die erste Zahl ist die Hauptquantenzahl (n) und der Buchstabe steht für den Wert von l (Drehimpulsquantenzahl; 1 = s, 2 = p, 3 = d und 4 = f) für das Orbital, und die hochgestellte Zahl sagt Ihnen, wie viele Elektronen sich in diesem Orbital befinden. Orbitaldiagramme verwenden das gleiche Grundformat, aber anstelle von Zahlen für die Elektronen verwenden sie ↑- und ↓-Pfeile sowie eine eigene Linie für jedes Orbital, um auch die Spins der Elektronen darzustellen.

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 sagt Ihnen das „Energieniveau“ oder die Hauptquantenzahl (n). Der zweite Buchstabe sagt Ihnen den Wert von (l), der Drehimpulsquantenzahl. Bei l = 1 ist der Buchstabe s, bei l = 2 ist es p, bei l = 3 ist es d, bei l = 4 ist es f und für höhere Zahlen steigt es ab diesem Punkt alphabetisch an. 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 sich die Orbitale mit der niedrigsten Energie zuerst füllen, aber die spezifische Reihenfolge ist nicht so sequentiell, dass man sich leicht einprägen kann. Unter Ressourcen finden Sie ein Diagramm mit der Füllreihenfolge. Beachten Sie, dass das n = 1-Niveau nur s-Orbitale hat, das n = 2-Niveau nur s- und p-Orbitale und das n = 3-Niveau nur s-, p- und d-Orbitale.

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

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

Was zeigt, dass die ganzen n = 1 und n = 2 Niveaus voll sind, das n = 4 Niveau wurde gestartet, aber die 3d-Schale enthält nur ein Elektron, während sie eine maximale Belegung von 10 hat. 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.

Jedes einzelne Orbital für schwerere Elemente aufzuschreiben ist mühsam, daher verwenden Physiker oft eine Kurzschreibweise. Dies funktioniert, indem man die Edelgase (in der ganz rechten Spalte des Periodensystems) als Ausgangspunkt verwendet und ihnen die letzten Orbitale hinzufügt. Scandium hat also die gleiche Konfiguration wie Argon, außer mit Elektronen in zwei zusätzlichen Orbitalen. Die Kurzform lautet daher:

[Ar] 4s² 3d¹

Denn die Konfiguration von Argon ist:

[Ar] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

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

Orbitaldiagramme sind wie die gerade eingeführte Konfigurationsnotation, außer mit den angegebenen Elektronenspins. Verwenden Sie das Pauli-Ausschlussprinzip und die Hundsche Regel, um herauszufinden, wie Muscheln gefüllt werden. Das Ausschlussprinzip besagt, dass keine zwei Elektronen die gleichen vier Quantenzahlen teilen können, was im Grunde zu Zustandspaaren führt, die Elektronen mit entgegengesetzten Spins enthalten. Die Hund-Regel besagt, dass die stabilste Konfiguration diejenige mit der höchstmöglichen Anzahl paralleler Spins ist. Dies bedeutet, dass Sie beim Schreiben von Bahndiagrammen für teilweise volle Schalen alle Up-Spin-Elektronen ausfüllen, 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 auf der linken Seite ist die Standardnotation der Elektronenkonfiguration. Beachten Sie, dass sich die Orbitale mit höherer Energie oben im Diagramm befinden. Für eine teilweise volle Hülle verlangt die Hund-Regel, dass sie auf diese Weise gefüllt werden (am Beispiel von Stickstoff).

2p ↑ ↑ ↑

2s ↑ ↓

1s ↑ ↓

Punktdiagramme unterscheiden sich stark von Orbitaldiagrammen, sind aber dennoch sehr leicht 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 wie folgt dargestellt:

∙

C ∙

∙

Und Sauerstoff (O) hat sechs, also wird er wie folgt dargestellt:

∙

∙∙ O ∙

∙∙

Wenn Elektronen zwischen zwei Atomen geteilt werden (bei kovalenter Bindung), teilen sich die Atome den Punkt im Diagramm auf die gleiche Weise. Dies macht den Ansatz sehr nützlich, um chemische Bindungen zu verstehen.