Atomorbitale

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Atomorbitale. Für das Verständnis sind folgende Vorkenntnisse vonnöten: Atombau, Quantenzahlen, Aufbauprinzipien, Elektronenkonfiguration. Mein Ziel ist, Euch in diesem Video Vorstellungen über Orbitale, ihre Gestalt und energetische Abfolge in einem Atom zu vermitteln. Ich möchte Euch zeigen, welche Bedeutung die äußeren Orbitale für das chemische Element besitzen. Der Film ist in vier Abschnitte untergliedert. 1. Atomorbitale und Quantenzahlen 2. Anordnung der Atomorbitale 3. Welche äußeren Atomorbitale bilden welche Elemente? 4. Zusammenfassung   1. Atomorbitale und Quantenzahlen Die Quantenzahlen geben vor, um welches Orbital es sich handelt und wie viele dieser Orbitale vorhanden sind. Es gibt jeweils ein s-Orbital auf jeder Schale, p-Orbitale kommen immer zu dritt vor, d-Orbitale kommen immer zu fünft vor. S, p und d entspricht den Zahlen 1, 2 und 3. Das ist die jeweilige Nebenquantenzahl. Man kann sie auch Orbitalquantenzahl nennen. Bei s-Orbitalen ist die Zahl 1, bei p-Orbitalen ist die Zahl 3 und bei d-Orbitalen ist die Zahl 5 - das ist die jeweilige Zahl der entsprechenden Orbitale. Für eine genauere Beschreibung der Elektronen schreibt man z. B. 3d³. 3 ist die Hauptquantenzahl, das Hauptenergieniveau, 3 ist die Zahl aller Elektronen auf den 3d-Orbitalen. Die Zahl der Orbitale ergibt sich durch die Zahl der Magnetquantenzahlen für eine entsprechende Nebenquantenzahl. Ich möchte nun die Zahl der Orbitale und den entsprechenden Orbitaltyp in einer kleinen Tabelle zusammenstellen. Beträgt die Zahl der Orbitale 1, so handelt es sich um ein s-Orbital. Das entspricht der Nebenquantenzahl l=0. Sind drei Orbitale vorhanden, so handelt es sich um p-Orbitale. Das entspricht der Nebenquantenzahl l=1. Gibt es 5 Orbitale, so handelt es sich um d-Orbitale. Das entspricht der Nebenquantenzahl l=2. Bei 7 Orbitalen können es nur f-Orbitale sein. Das entspricht der Nebenquantenzahl l=3. S-Orbitale sind für alle Hauptquantenzahlen 1, 2 usw. möglich. P-Orbitale gibt es für die Nebenquantenzahlen 2 und aufwärts. D-Orbitale gibt es erst ab der Nebenquantenzahl 3 und f-Orbitale sind erst ab n=4 möglich. Ich möchte noch einmal daran erinnern, dass Orbitale immer existieren, unabhängig mit wie viel Elektronen sie besetzt sind. Jedes Orbital kann entweder mit 0, 1 oder 2 Elektronen besetzt sein.  2. Anordnung der Atomorbitale Wir haben gelernt, dass s-Orbitale für jede Hauptquantenzahl l verfügbar sind. Für praktische Zwecke reicht es, die s-Orbitale von 1s bis 7s anzugeben. p-Orbitale gibt es ab Hauptquantenzahl n=2. Für praktische Zwecke ist es ausreichend, die p-Orbitale von 2p bis 6p anzugeben. d-Orbitale existieren ab der Hauptquantenzahl 3. Für praktische Zwecke ist es ausreichend, die d-Orbitale von 3d bis 6d aufzuführen. An f-Orbitalen müssen wir nur die Orbitale 4f und 5f berücksichtigen. Der energetische Verlauf gestaltet sich leider nicht glatt über die Hauptquantenzahlen. Es gibt da diverse Sprünge. Aber trotzdem ist eine Systematik vorhanden. Ich möchte sie hier aufzeigen. Wir beginnen mit 1s, dann folgt 2s, es schließen sich 2p und dann 3s an. Gefolgt werden diese von 3p und 4s, darauf folgen 3d, 4p, 5s. Anschließend kommen 4d, 5p, 6s. Nun folgen 4f, 5d, 6p, 7s. Die höchsten Energien besitzen die Orbitale 5f und 6d. Diese energetische Abfolge muss man berücksichtigen, wenn man die Elektronenkonfiguration für ein chemisches Element exakt formulieren möchte. Nehmen wir das chemische Element Gold, Aurum, Symbol Au. Ein Goldatom besitzt 79 Protonen, es hat die Ordnungszahl 79. Daher muss es auch 79 Elektronen besitzen. Wir beginnen: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d⁹. Es gibt eine Elektronenverschiebung, die wir nicht erklären können. 6s¹ und 5d¹⁰. 3. Welche äußeren Orbitale bilden welche Elemente? s-Orbitale: Atome, die als äußere Orbitale s-Orbitale besitzen, sind ausschließlich Metalle. Sie entsprechen den beiden ersten Hauptgruppen des Periodensystems der Elemente. Beispiele dafür sind Natrium und Kalzium. p-Orbitale: Atome, die als äußere Orbitale p-Orbitale besitzen, sind meist Nichtmetalle. Zwei Beispiele dafür sind Fluor und Schwefel. Einige wenige Metalle sind darunter, wie z. B. Aluminium oder Blei. Die Edelgase, wie Krypton, gehören ebenfalls zu den sogenannten p-Elementen. d-Orbitale: Chemische Elemente, deren energiereichste Elektronen d-Orbitale besitzen, sind ausschließlich Metalle. Als Beispiele dafür möchte ich Kupfer, Zink, Silber, Gold und Rutherfordium nennen. Rutherfordium ist radioaktiv, daher das Sternchen. Wenn die energiereichsten Atome eines chemischen Elementes auf f-Orbitalen sitzen, so handelt es ebenfalls ausschließlich um Metalle. Sie umfassen die Reihen der Lanthanoide, wie z. B. Cer oder der Aktinoide, wie z. B. Uran. 4. Zusammenfassung Auf jeder Schale befindet sich jeweils ein s-Orbital. Bei vollständiger Besetzung ergibt das 2 Elektronen. Ab n=2 befindet sich auf jeder Schale ein Satz von jeweils 3 p-Orbitalen. Das ergibt bei kompletter Besetzung 6 Elektronen. Ab n=2 befindet sich auf jeder Schale ein Satz von insgesamt 5 d-Orbitalen. Bei vollständiger Besetzung können diese 10 Elektronen aufnehmen. Ab n=4 ist jede Schale mit einem Satz von 7 f-Orbitalen ausgestattet. Bei vollständiger Besetzung ergibt das 14 Elektronen. Bei s-Orbitalen als äußeren Orbitalen ergibt das Hauptgruppenelemente, und zwar immer Metalle. Als Beispiele möchte ich Kalium und Magnesium nennen. Sind die äußeren besetzten Orbitale p-Orbitale, so handelt es sich durchweg um Hauptgruppenelemente. Alle Nichtmetalle fallen unter diese Kategorie, wie z. B. Chlor oder Brom. Auch die Edelgase gehören diesen p-Elementen an. Als Beispiel möchte ich Argon nennen. Ebenfalls einige Metalle fallen unter diese Kategorie wie z. B. Aluminium oder Zinn. Die Anzahl der Nichtmetalle ist jedoch größer als die Anzahl der Metalle. Chemische Elemente, deren äußere Elektronen auf den d-Orbitalen sitzen, gehören den Nebengruppen an. Es handelt sich ausschließlich um Metalle. Als Beispiele möchte ich Kupfer, Silber und Gold nennen. Sitzen die energiereichsten Elektronen der Atome eines chemischen Elementes auf f-Orbitalen, so handelt es sich durchweg um Metalle. Eine große Gruppe dieser Elemente sind die sogenannten Lanthanoide. Als Beispiel möchte ich Cer nennen. Die zweite Gruppe sind die sogenannten Aktinoide, als Beispiel das radioaktive Plutonium. Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen.