4.7: Anordnungen der Elektronen (2024)

Obwohl wir die allgemeine Anordnung subatomarer Teilchen in Atomen diskutiert haben, haben wir wenig darüber gesagt, wie Elektronen den Raum um den Kern herum einnehmen. Bewegen sie sich zufällig um den Kern oder existieren sie in einer geordneten Anordnung?

Die moderne Theorie des Elektronenverhaltens heißt Quantenmechanik. Es macht folgende Aussagen über Elektronen in Atomen:

• Elektronen in Atomen können nur bestimmte spezifische Energien haben. Wir sagen, dass die Energien der Elektronen quantisiert sind.
• Elektronen sind entsprechend ihrer Energie in sogenannten Gruppen organisiertMuscheln(gekennzeichnet durch die Hauptquantenzahl,N). Generell gilt: Je höher die Energie einer Schale, desto weiter ist sie (im Durchschnitt) vom Kern entfernt. Schalen haben keine spezifischen, festen Abstände vom Kern, aber ein Elektron in einer Schale mit höherer Energie verbringt mehr Zeit weiter vom Kern entfernt als ein Elektron in einer Schale mit niedrigerer Energie.
• Schalen werden weiter in sogenannte Teilmengen von Elektronen unterteiltUnterschalen. Die erste Schale hat nur eine Unterschale, die zweite Schale hat zwei Unterschalen, die dritte Schale hat drei Unterschalen und so weiter. Die Unterschalen jeder Schale sind der Reihe nach mit den Buchstaben beschriftetS,P,D, UndF. Somit hat die erste Schale nur eine einzigeSUnterschale (genannt1S), die zweite Schale hat2SUnd2PUnterschalen hat die dritte Schale3S,3P, Und3D und so weiter.

• Verschiedene Unterschalen enthalten eine unterschiedliche maximale Anzahl an Elektronen.BeliebigSUnterschale kann bis zu 2 Elektronen aufnehmen;P, 6;D, 10; UndF, 14.

Es ist die Anordnung der Elektronen in Schalen und Unterschalen, die uns hier am meisten beschäftigt, deshalb werden wir uns darauf konzentrieren.

Wir verwenden Zahlen, um anzugeben, in welcher Schale sich ein Elektron befindet. Wie in der Tabelle gezeigt2.6.1, die erste Schale, die dem Kern am nächsten liegt und die Elektronen mit der niedrigsten Energie hat, ist Schale 1. Diese erste Schale hat nur eine Unterschale, die mit 1 bezeichnet istSund kann maximal 2 Elektronen aufnehmen. Wir kombinieren die Bezeichnungen „Schale“ und „Unterschale“, wenn wir uns auf die Organisation von Elektronen um einen Kern beziehen, und verwenden einen hochgestellten Index, um anzugeben, wie viele Elektronen sich in einer Unterschale befinden. Weil ein Wasserstoffatom sein einzelnes Elektron in der Atomhülle hatSUnterschale der ersten Schale, die wir verwenden1S¹um die elektronische Struktur von Wasserstoff zu beschreiben. Diese Struktur wird Elektronenkonfiguration genannt. Elektronenkonfigurationen sind Kurzbeschreibungen der Anordnung von Elektronen in Atomen. Die Elektronenkonfiguration eines Wasserstoffatoms wird laut als „eins-ess-eins“ ausgesprochen.

Heliumatome haben 2 Elektronen. Beide Elektronen passen in die 1SSubshell, weilSUnterschalen können bis zu 2 Elektronen aufnehmen; daher ist die Elektronenkonfiguration für Heliumatome1S² (gesprochen als „eins-ess-zwei“).

Die 1SUnterschale kann nicht 3 Elektronen halten (weil eineSDie Unterschale kann maximal 2 Elektronen aufnehmen), daher kann die Elektronenkonfiguration für ein Lithiumatom nicht 1 seinS³. Zwei der Lithiumelektronen passen in die 1SUnterschale, aber das dritte Elektron muss in die zweite Schale gelangen. Die zweite Schale hat zwei Unterschalen,SUndP, die sich in dieser Reihenfolge mit Elektronen füllen. Die 2SDie Unterschale enthält maximal 2 Elektronen und die 2PDie Unterschale enthält maximal 6 Elektronen. Weil das letzte Elektron von Lithium in die 2 gehtSUnterschale schreiben wir die Elektronenkonfiguration eines Lithiumatoms als1S²2S¹.Das Schalendiagramm für ein Lithiumatom ist unten dargestellt. Die dem Kern am nächsten gelegene Schale (erste Schale) hat zwei Punkte, die die beiden Elektronen darin darstellen1S, während die äußerste Schale (2S) hat 1 Elektron.

Das nächstgrößere Atom, Beryllium, hat 4 Elektronen, daher ist seine Elektronenkonfiguration 1S²2S². Da nun die 2SWenn die Unterschale gefüllt ist, beginnen Elektronen in größeren Atomen, die 2 zu füllenPUnterschale. Somit sind die Elektronenkonfigurationen für die nächsten sechs Atome wie folgt:

• B: 1S²2S²2P¹
• C: 1S²2S²2P²
• N: 1S²2S²2P³
• O: 1S²2S²2P⁴
• F: 1S²2S²2P⁵
• Es ist: 1S²2S²2P⁶

Mit Neon, der 2PUnterschale ist vollständig gefüllt. Da die zweite Schale nur zwei Unterschalen hat, müssen Atome mit mehr Elektronen nun mit der dritten Schale beginnen. Die dritte Schale besteht aus drei beschrifteten UnterschalenS,P, UndD. DerDDie Unterschale kann maximal 10 Elektronen aufnehmen. Die ersten beiden Unterschalen der dritten Schale werden der Reihe nach gefüllt – zum Beispiel ist die Elektronenkonfiguration von Aluminium mit 13 Elektronen 1S²2S²2P⁶3S²3P¹. Allerdings passiert etwas Merkwürdiges nach dem 3PUnterschale ist gefüllt: die 4SDie Unterschale beginnt sich vor der 3 zu füllenDSubshell tut es. Tatsächlich wird die genaue Anordnung der Unterschalen an dieser Stelle (nach Argon mit seinen 18 Elektronen) komplizierter, sodass wir die Elektronenkonfigurationen größerer Atome nicht berücksichtigen.

Eine vierte Unterschale, dieFUnterschale wird benötigt, um die Elektronenkonfigurationen für alle Elemente zu vervollständigen. EinFDie Unterschale kann bis zu 14 Elektronen aufnehmen.

Die Elektronenfüllung beginnt immer mit1S, die dem Kern am nächsten gelegene Unterschale. Der nächste ist2S, 2P, 3S, 3P, 4S, 3D,4Pusw., dargestellt im Diagramm der Reihenfolge der Elektronenhüllenfüllung in Abbildung2.6.2. Folgen Sie den einzelnen roten Pfeilen der Reihe nach von oben nach unten. Die Unterschalen, die Sie entlang jedes Pfeils erreichen, geben die Reihenfolge der Füllung der Unterschalen in größeren Atomen an.