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1 1 1. Was sind Orbitale? Wie sehen die verschiedenen Orbital-Typen aus? Bereiche mit einer bestimmten Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons werden als Orbitale bezeichnet. Orbitale sind keine messbaren oder beobachtbaren "Elektronen-Aufenthaltsräume", sondern stellen vielmehr erlaubte Energiezustände der Elektronen dar. Ihre räumliche Ausdehnung und Form läßt sich aus den Lösungsfunktionen der Schrödingergleichung errechnen. Orbitale sind wie die Kreisbahnen von Bohr nicht Wirklichkeit sondern nur Modelle der wahrscheinlichsten Elektronendichte. Die Wahrscheinlichkeit ein Elektron in einem bestimmten Bereich zu finden wird als Elektronendichte bezeichnet. Eine besonders große Elektronendichte bedeutet eine große Aufenthaltswahrscheinlichkeit, wenig Elektronendichte wiederum entspricht einer geringen Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons. 2. Welche Quantenzahlen gibt es? Was beschreiben sie? Größe, Form und Orientierung der Atomorbitale im Raum sowie die Energie der in den Orbitalen anzutreffenden Elektronen legen drei sogenannte Quantenzahlen fest, die sich beim Lösen der Schrödingergleichung ergeben. Die Quantenzahlen können nur ganzzahlige Werte annehmen, weil nur dann physikalisch sinnvolle Lösungen erhalten werden. Die Hauptquantenzahl n kann jeden beliebigen, positiven, ganzzahligen Wert annehmen: n = 1, 2,... Alle Orbitale, die zur gleichen Hauptquantenzahl gehören, werden unter dem Begriff Schale zusammengefasst. Zu jeder Schale gehören n 2 Orbitale. Die Hauptquantenzahl bestimmt die mittlere Entfernung des Elektrons zum Kern und somit auch dessen Energie. Mit größerem Abstand zum Kern wächst auch die Energie der Elektronen. Im Wasserstoffatom entspricht die Hauptquantenzahl der Quantenzahl n des Bohrschen Atommodells; die Elektronen besitzen die gleiche Energie wie bei Bohr: E n = -R H (1/n 2 ). Das Elektron in dem Orbital mit n = 1 hat die geringste mögliche Energie. Es befindet sich im sogenannten Grundzustand. Durch Anregung mit Licht beispielsweise kann es in energetisch höhere Niveaus (angeregte Zustände) angehoben werden. Die Nebenquantenzahl oder Bahndrehimpulsquantenzahl l kann ganzzahlige Werte von 0 bis n - 1 annehmen. Jede Hauptschale unterteilt sich demnach in n

2 2 Unterschalen, die durch die Nebenquantenzahl l beschrieben werden. Die Nebenquantenzahl l bestimmt die Form der Orbitale. Die Zahlenwerte 0, 1, 2, 3 von l werden im allgemeinen mit den Buchstaben s, p, d und f bezeichnet. Neben- Bezeichnung quantenzahl 0 s 1 p 2 d 3 f 4 g Diese Namensgebung stammt aus der Spektroskopie und leitet sich von den Liniencharakteristika sharp, principal, diffus und fundamental ab. Höhere Nebenquantenzahlen werden einfach mit den auf "f" folgenden Buchstaben des Alphabets beschrieben. Ein Orbital mit der Nebenquantenzahl 1 wird auch p-orbital genannt. Ein Elektron in diesem energetischen Zustand heißt p-elektron. Die magnetische Quantenzahl m l kann ganzzahlige Werte von - l bis + l annehmen. Sie legt die räumliche Orientierung der Orbitale fest. Die Tabelle veranschaulicht zusammenfassend die möglichen Atomorbitale, die sich mit den unterschiedlichen Quantenzahlen ergeben. n l Name des Orbitals m l Anzahl 1 0 1s s p -1, 0, s p -1, 0, d -2, -1, 0, 1, s p -1, 0, d -2, -1, 0, 1, f -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 7

3 3 Die Energie der Elektronen nimmt mit steigender Hauptquantenzahl zu. Die vierte Quantenzahl ist die Spinquantenzahl. Sie beschreibt die Eigenrotation des Elektrons. Vereinfacht ausgedrückt kann sich das Elektron links oder rechts herum um seine Achse drehen. Die Spinquantenzahl kann den Wert +½ oder -½ annehmen. Die Elektronen unterschiedlichen Spins werden auch als α- und β- Elektronen bezeichnet. In der Schriftsprache werden α- und β-elektronen als kleine Pfeile und dargestellt. Der Unterschied zwischen α- und β-elektronen macht sich erst im inhomogenen Magnetfeld bemerkbar. 3. Was versteht man unter effektiver Kernladung? In Atomen mit mehreren Elektronen besitzt der Atomkern nicht die gleiche elektrostatische Anziehungskraft auf alle Elektronen. Kernnahe Elektronen schirmen die positive Ladung nach außen hin ab, so dass kernferne Elektronen nur noch eine geringere Anziehungskraft durch den Atomkern erfahren. Die Anziehungskraft, die noch auf die Elektronen einwirkt, wird als effektive Kernladung Z eff bezeichnet. Sie ergibt sich aus der Kernladung Z abzüglich einer Konstanten S: Effektive Kernladung: Z eff = Z - S Die Konstante S heißt Abschirmungskonstante; ihr Wert hängt vom jeweils betrachteten System ab. Sie läßt sich mit den von John Clarke Slater aufgestellten Slater-Regeln berechnen. Die Bindungsstärke eines Elektrons an den Atomkern hängt aber nicht nur vom Abstand des Elektrons zum Kern und dessen Abschirmung durch die Rumpfelektronen ab, sondern auch von der Kernladung selbst. Höhere Elemente haben mehr Protonen im Kern, also eine größere positive Ladung. Diese hat natürlich eine größere Anziehungskraft auf ein einzelnes Elektron als die geringere positive Ladung der Elemente kleinerer Ordnungszahl. Die Bindungstärke eines Elektrons läßt sich experimentell als Ionisierungsenergie ermitteln. 4. In welcher Reihenfolge werden die Atomorbitale mit Elektronen besetzt? Welche Regeln sind dabei zu beachten?

4 4 Die Atomorbitale werden in Richtung steigender Energie besetzt. Energetisch tiefstliegendstes Atomorbital ist das 1s-Orbital. Das Pauli-Prinzip und die Regel von Hund müssen beachtet werden. Pauli-Prinzip: Alle Elektronen eines Atoms müssen sich in mindestens einer Quantenzahl unterscheiden. Hund'sche Regel: Alle entarteten Orbitale werden zunächst einfach mit Elektronen gleichgerichteten Spins besetzt. 5. Was versteht man unter einer Periode im Periodensystem? Wieviele chemische Elemente finden sich in einer Periode? Alle Elemente einer Schale werden unter dem Begriff der Periode zusammengefaßt. Die Perioden laufen von links nach rechts. Die erste Periode enthält zwei Elemente, die zweite und dritte Periode jeweils acht Elemente, die vierte und fünfte Periode 18 Elemente und die sechste sowie siebte Periode jeweils 32 Elemente. Die schwersten Elemente der siebten Periode sind bislang noch unbekannt. 6. Was versteht man unter einer Gruppe im Periodensystem? Elemente gleicher Außenelektronenkonfiguration werden in Gruppen zusammengefaßt. Im Periodensystem sind die Gruppen vertikal angeordnet. 7. Worin unterscheiden sich Haupt- und Nebengruppen? Wie lauten die Gruppennamen der Hauptgruppenelemente? Hauptgruppenelemente enthalten nur s- und p-elektronen in ihrer äußersten Elektronenschale. Zu den Hauptgruppen gehören der Reihe nach die Alkalimetalle (1. Gruppe), die Erdalkalimetalle (2. Gruppe), die Borgruppe (13. Gruppe), die Kohlenstoffgruppe (14. Gruppe), die Stickstoffgruppe (15. Gruppe), die Chalkogene (16. Gruppe), die Halogene (17. Gruppe) und die Edelgase (18. Gruppe). 8. Was ist ein Aggregatzustand und von welchen Größen ist er abhängig? Wie lauten die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen? Eine der wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Stoffen ist der Aggregatzustand. Er beschreibt die Zustandsform eines Stoffes. Elemente und Verbindungen können fest, flüssig oder gasförmig sein. Die Umwandlung der

5 5 Aggregatzustände ineinander ist ein physikalischer Prozess (Zustandsänderung) und wird durch äußere Einflüsse, wie Temperatur- oder Druckänderung, herbeigeführt. 9. Welche Elemente sind bei Raumtemperatur flüssig, welche gasförmig und welche sind fest? Bei Raumtemperatur flüssig sind nur Brom und Quecksilber. Gasförmig sind 11 Elemente: Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, die Halogene Fluor und Chlor sowie die 5 Edelgase Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. Alle anderen Elemente sind fest.

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