Periodensystem der Elemente (PSE) Z = Ordnungszahl, von 1 bis 112 (hier)

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1 H 3 Li K V Co Ta Pt Pb Sc Mn Cu As N Re Hg Po* Cs Be Ca Cr Ni Ge C W Au Bi Ti Fe Hf Ir Zn Se O Os Tl At* Rn* Ga B Br F Kr Ne He Ba Mg Sr Mo Pd Sn Si Sg* Eka-Au 112 Eka-Hg Zr Ru Rf* Mt* Cd Te S Hs* In Al I Cl Xe Ar Ra* Na Rb Nb Rh Db* Eka-Pt Y Tc* Ag Sb P Bh* Fr* La Pr Pm* Eu Tb Ho Tm Lu Ce Nd Sm Gd Dy Er Yb Th* U* Pu* Cm* Cf* Fm* No* Ac* Pa* Np* Am* Bk* Es* Md* Lr* Periodensystem der Elemente (PSE) Z = Ordnungszahl, von 1 bis 112 (hier) woher kommen Zeilen und Spalten? 1

2 Atombau - Basics 2

3 Aufbau der Elektronenhülle? 3

4 Elektromagnetische Wellen cm rotes Licht Schwingungen pro Sekunde Frequenz cm Wellenlänge = = = cm s-1 Geschwindigkeit c c ~ 1 4

5 sichtbares Licht log [Hz] log [Å] Kosmische Strahlen -Strahlen Röntgenstrahlen Ultraviole t Infrarot Mikrowe len Radiowe len Wechselstrom 110 Femtometer Pikometer Mikrometer Millimeter Meter Kilometer Das elektromagnetische Spektrum 5

6 sichtbares Licht log [Hz] log [Å] Kosmische Strahlen -Strahlen Röntgenstrahlen Ultraviole t Infrarot Mikrowe len Radiowe len Wechselstrom 110 Femtometer Pikometer Mikrometer Millimeter Meter Kilometer Die Quantelung der Energie - Die Plancksche Gleichung Energie (z.b. Licht) wird nicht kontinuierlich, sondern in winzigen Energieportionen, den Quanten (lat. quant = Menge), übertragen. E = h h ist eine Naturkonstante und wird nach Planck als Plancksches Wirkungsquantum bezeichnet. Es besitzt den Wert h = Js. Max Karl Ernst Ludwig Planck (geb. in Kiel, in Göttingen begraben) 6

7 sichtbares Licht log [Hz] log [Å] Kosmische Strahlen -Strahlen Röntgenstrahlen Ultraviole t Infrarot Mikrowe len Radiowe len Wechselstrom 110 Femtometer Pikometer Mikrometer Millimeter Meter Kilometer Atomemission und Spektrallinien Natrium Wasserstoff 7

8 sichtbares Licht log [Hz] log [Å] Kosmische Strahlen -Strahlen Röntgenstrahlen Ultraviole t Infrarot Mikrowe len Radiowe len Wechselstrom 110 Femtometer Pikometer Mikrometer Millimeter Meter Kilometer Das Bohrsche Atommodell (1911) Niels Bohr 8

9 Kosmische Strahlen -Strahlen Röntgenstrahlen Ultraviole t Infrarot Mikrowe len Radiowe len Wechselstrom sichtbares Licht log [Hz] log [Å] Femtometer Pikometer Mikrometer Millimeter Meter Kilometer Das Bohrsche Atommodell - Die Postulate Elektronen bewegen sich im Atom nur auf wenigen erlaubten Kreisbahnen. Diese Kreisbahnen entsprechen bestimmten Energiezuständen der Elektronen. Ein Elektron auf einer erlaubten Kreisbahn strahlt nicht. Elektronische Übergänge finden nur zwischen den unterschiedlichen Kreisbahnen durch Aufnahme oder Abgabe von Energiequanten h statt (Frequenzbedingung) E = E 2 E 1 = h 9

10 Das Bohrsche Atommodell 10

11 Das Bohrsche Atommodell 11

12 Das Bohrsche Atommodell 12

13 Exkurs: Röntgenstrahlen in der Medizin 13

14 Stabile Atome - Ein Paradoxon der klassischen Physik + + Strahlungskatastrophe Werden Ladungen in elektrischen Feldern beschleunigt entsteht elektromagnetische Strahlung (Maxwellsches Durchflutungsgesetz ). kreisendes Elektron verliert Energie in Form von Strahlung Atom kollabiert Erklärung mit Hilfe der Quantenmechanik 14

15 Materiewellen (de Broglie-Gleichung) Wellen-Teilchen Dualismus Wenn sich elektromagnetische Wellen bei bestimmten Experimenten wie ein Teilchenstrom verhalten, so sollten umgekehrt Materieteilchen unter bestimmten Bedingungen auch einen Wellencharakter zeigen. h m v p h Wellenlänge und Impuls können ineinander umgerechnet werden Louis Victor Pierre Raymond Prinz von de Broglie 15

16 Aufbau der Elektronenhülle: Was sind Orbitale? Orbitale sind Bereiche, in denen ein Elektron eine bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeit besitzt. Orbitale stellen erlaubte Energiezustände der Elektronen dar. Die räumliche Ausdehnung und Gestalt der Orbitale ergibt sich aus den Lösungsfunktionen der Schrödingergleichung Quantenmechanik. Lösungsfunktionen enthalten zwei Anteile: Radialfunktion (räumliche Ausdehnung) Winkelfunktion (Gestalt) 16

17 Wie werden Orbitale dargestellt? Winkelfunktion 1s-Orbital z + 90% der Elektronendichte x y 2s-Orbital 90% z + 50% x y 17

18 Orbitale - Wahrscheinlichkeitsdichte 18

19 Atomorbitale und Quantenzahlen Die Quantenzahlen legen Größe, Gestalt und räumliche Orientierung der Atomorbitale, sowie die Energie der in den jeweiligen Orbitalen anzutreffenden Elektronen fest. 1) Hauptquantenzahl n n =1, 2, 3,... Bestimmt die mittlere Entfernung des Elektrons zum Kern und somit auch dessen Energie. Die Energie der Elektronen nimmt mit steigender Hauptquantenzahl zu. 2) Bahndrehimpulsquantenzahl l l = 0, 1,..., n-1 Bestimmt die Gestalt der Orbitale. 3) magnetische Quantenzahl m l m l =-l, -l+1,..., +l Bestimmt die Orientierung der Orbitale im Raum. Es gibt 2l+1 Anordnungsmöglichkeiten. 19

20 Quantenzahlen n Schale l Orbitalname m l Anzahl 1 K 0 1s L 0 2s p -1, 0, M 0 3s p -1, 0, d -2, -1, 0, 1, N 0 4s p -1, 0, d -2, -1, 0, 1, f -3, -2, -1, 0, 1, 2,

21 Energie Orbitalenergieniveau-Schema eines Einelektronensystems, H-Atom 3s 3p 3d 2s 2p 1s 21

22 Gestalt von s-orbitalen (l = 0) z z x y x y s n = 1 l = 0 m = 0 s n = 2 l = 0 m = 0 22

23 Gestalt von p-orbitalen (l = 1) z z z x y x y x y p x p y p z n = 2 n = 2 n = 2 l = 1 l = 1 l = 1 m = ±1 m = ±1 m = 0 23

24 Gestalt von d-orbitalen (l = 2) z z d x 2 -y 2 d z 2 n = 3 n = 3 l = 2 m = ±2 x y x y l = 2 m = 0 z z z x y x y x y d xy n = 3 l = 2 m = ±2 d xz n = 3 l = 2 m = ±1 d yz n = 3 l = 2 m = ±1 24

25 Der Stern-Gerlach Versuch 25

26 m = +½ s Der Elektronenspin z z m = -½ s Orientierung des mag. Moments des Elektrons im Orbital 26

27 Orbitalmodell der Atome 1) Hauptquantenzahl n n =1, 2, 3,... mittlere Ausdehnung und Energie 2) Bahndrehimpulsquantenzahl l l = 0, 1,..., n-1 Gestalt der Orbitale. 3) magnetische Quantenzahl m l m l =-l, -l+1,..., +l Orientierung der Orbitale im Raum. (2l+1-Werte) 4) Spinquantenzahl m s m s = -1/2, +1/2 Orientierung des mag. Moments des Elektrons im Orbital. Ein Zustand für ein Elektron wird durch alle 4 QZ festgelegt. Ein Orbital ist durch n, l und m l bestimmt. 27

28 Energieniveauschema eines Mehrelektronensystems 7s 6s 5s 7p 6p 5p 6d 5d 4d 5f 4f Energie 4s 4p 3p 3d 3s 2p 2s 1s 28

29 Merkschema zu Energieniveaus 29

30 Das Pauli-Prinzip (1925) Alle Elektronen eines Atoms müssen sich in mindestens einer Quantenzahl unterscheiden Wolfgang Pauli 30

31 Elektronenkonfiguration von Mehrelektronensystemen Elektronenkonfiguration H He 1s 1 1s 1 1s 2 1s 2 Elektronenpaar Hauptquantenzahl Maximale Elektronenzahl Jede Elektronenschale kann 2 n 2 Elektronen aufnehmen Li 1s 2 2s 1 31

32 Elektronenkonfiguration von Mehrelektronensystemen Be B 1s 2 2s 2 1s 2 2s 2 2p 1 C?? 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2s 2 32

33 Die Hundsche Regel (Regel der höchsten Multiplizität) Alle entarteten Orbitale (also Orbitale mit gleicher Energie) werden zunächst einfach mit Elektronen gleichgerichteten Spins besetzt. Friedrich Hund 33

34 Elektronenkonfiguration in Mehrelektronensystemen N O F Ne 1s 2 2s 2 2p 3 1s 2 2s 2 2p 4 1s 2 2s 2 2p 5 1s 2 2s 2 2p 6 Eine vollständig mit Elektronen besetzte Elektronenschale ist energetisch besonders stabil. Helium und Neon sind daher reaktionsträge Edelgase. 34

35 Elektronenkonfiguration in Mehrelektronensystemen Valenzelektronenkonfiguration Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 [Ne] [Ne]3s 1 Vollständig mit Elektronen besetzte Elektronenschalen können für eine kürzere Schreibweise durch das in eckige Klammer gesetzte Elementsymbol des entsprechenden Edelgases dargestellt werden. 35

36 Valenzelektronen Für die chemischen Reaktivität eines Elements sind besonders die Elektronen auf Energieniveaus oberhalb der letzten voll besetzten Elektronenschalen verantwortlich. Sie werden Valenzelektronen genannt 36

37 Elektronenkonfiguration in Mehrelektronensystemen 37

38 Das Periodensystem der Elemente 38

39 Das Periodensystem der Elemente s-orbitale s 1 s H He 3 4 Li Be Na Mg K Ca Rb Sr d Sc Y f-orbitale f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 f 8 f 9 f 10 f 11 f 12 f 13 f Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Eka- Eka- Eka- Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Pt Au Hg d 2 Ti d 3 V d-orbitale d 4 Cr d 5 Mn Zr Nb Mo Tc d 6 Fe Ru d 7 Co Rh d 8 Ni Pd d 9 Cu Ag Au d 10 Zn Cd Hg p-orbitale p 1 p 2 p 3 p 4 p 5 p B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Ga Ge As Se Br Kr In Sn Sb Te I Xe Tl Pb Bi Po At Rn s-block f-block d-block p-block 39

40 Wichtige Begriffe: Rutherfordsches Atommodell Bohrsches Atommodell (Postulate) Quantelung der Energie, Welle-Teilchen-Dualismus Orbitale, Quantenzahlen, Orbitalenergieniveauschema Aufbauprinzip, Pauli-Prinzip, Hundsche Regel Elektronenkonfiguration Valenzelektronenkonfiguration s- / p- / d- /f- Block im PSE 40

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