Elektronenkonfiguration, also die Art der Verteilung von Elektronen im Atom

Atom und seine Struktur

Die einzelnen Teilchen, aus denen die Materie besteht, sind Atome. Alles, was uns umgibt, sind Atome. Elemente sind die Summe von Atomen – Eisen besteht aus Eisenatomen, Kupfer aus Kupferatomen und so weiter.

Woraus besteht also ein Atom?

Die meisten von uns kennen die Antwort: aus positiv geladenen Protonen, negativ geladenen Elektronen und Neutronen, die keine Ladung haben. Ist dies die richtige Antwort? Absolut, aber wenn wir ein Atom mit dem „Auge eines Chemikers“ betrachten, lautet die Antwort, dass ein Atom aus zwei Grundelementen besteht: dem Kern und der ihn umgebenden Elektronenwolke.

Der Atomkern

Der Kern eines Atoms bildet sein Zentrum und ist der wichtigste Teil des Atoms. Er besteht aus Protonen (mit einer positiven Ladung) und Neutronen (elektrisch neutral). Dies sind keine unteilbaren Elemente. Sowohl Protonen als auch Neutronen haben eine innere Struktur – sie bestehen aus kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks. Das Proton besteht aus zwei sogenannten up-Quarks und einem sogenannten down-Quark. Das Neutron hingegen hat ein up-Quark und zwei down-Quarks in seiner Struktur.

Elektronenwolke

Das Atom hat keinen klar definierten Rand – dies ist auf das Vorhandensein einer Elektronenwolke zurückzuführen. Als Elektronenwolke wird der Bereich bezeichnet, in dem die Wahrscheinlichkeit für die Anwesenheit eines Elektrons am größten ist (wichtig: es ist nicht möglich, für ein Elektron die Bahn, auf der es sich bewegt, eindeutig zu bestimmen. Es ist nur möglich, die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, es in verschiedenen Bereichen im Raum zu finden). Eine Elektronenwolke besteht aus Elektronen, die um einen Atomkern kreisen. Direkt am Kern ist die Dichte der Elektronenwolke am höchsten, je weiter sie vom Kern entfernt ist, desto diffuser ist die Wolke.

Quantenbeschreibung des Atoms

Der Zustand eines jeden Elektrons in einem Atom wird durch sogenannte Wellenfunktionen beschrieben. Die Wellenfunktionen sind die mathematische Lösung der Schrödinger-Gleichung. Diese Gleichung ist wiederum lösbar, wenn einige grundlegende Bedingungen eingeführt werden. Aus diesem Grund begann man, Quantenzahlen zu verwenden, die dies möglich machen. Die Quantenzahlen, die den Quantenzustand eines jeden Elektrons in einem Atom eindeutig beschreiben, werden im Folgenden kurz charakterisiert:

• die Hauptquantenzahl n:

ist verantwortlich für die Energie des Elektrons. Sie nimmt die Werte von aufeinanderfolgenden natürlichen Zahlen an. Sie kann Werte von 1 bis unendlich annehmen. In der Praxis ist dies nicht der Fall, und meistens liegt n zwischen 1 und 7. Ebenen mit der gleichen Hauptquantenzahl werden als Elektronenschalen bezeichnet.

• Nebenquantenzahl l:

definiert Energien genauer. Der Wert der Nebenquantenzahl bestimmt die Unterschale einer bestimmten Schale des Atoms. Vom Wert dieser Zahl hängt auch die Form der Atomorbitale ab. Die Nebenquantenzahl nimmt Werte von Null bis (n-1) an.

• – magnetische Quantenzahl m:

Der Wert der magnetischen Quantenzahl hängt von der Nebenquantenzahl ab. Die magnetische Quantenzahl m nimmt Werte von -l bis l an (einschließlich des Wertes 0). Durch die Kenntnis der magnetischen Quantenzahl lassen sich die relativen Positionen der Orbitale im Raum bestimmen, was Aufschluss über die Anzahl der Orbitale auf einer bestimmten Unterebene gibt.

• magnetische Spinquantenzahl:

während sich die Elektronen um den Atomkern bewegen, machen sie auch Bewegungen um ihre eigene Achse. Diese Bewegung wird als Spin des Elektrons bezeichnet, und damit ist die magnetische Spinquantenzahl verbunden. Sie nimmt nur zwei Werte an: + ½ und – ½. Jedes Atomorbital kann zwei Elektronen enthalten, die sich durch den Wert der magnetischen Spinquantenzahl unterscheiden.

Bei der Beschreibung von Quantenzahlen kommt man nicht umhin, eines der grundlegenden Gesetze der Chemie zu erwähnen, nämlich das Pauli-Verbot. Diesem Gesetz zufolge kann es in einem bestimmten Atom keine zwei Elektronen geben, die alle die gleiche Quantenzahl haben. Die Elektronen eines Atoms müssen sich im Wert von mindestens einer Quantenzahl unterscheiden.

Elektronenschalen und Unterschalen

Der Atomkern ist von einer Elektronenwolke umgeben, in der man mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein Elektron finden kann. Diese Elektronen sind auf ihren jeweiligen Elektronenschalen angeordnet. Elektronenschalen sind nichts anderes als Ebenen mit der gleichen Hauptquantenzahl n. Die Schale, die am weitesten vom Atomkern entfernt ist, wird als Valenzschale bezeichnet – die darauf zirkulierenden Elektronen werden als Valenzelektronen bezeichnet (sie bilden chemische Bindungen zwischen Atomen verschiedener Elemente oder Atomen desselben Elements). Jede Elektronenschale wird mit einem Buchstabensymbol bezeichnet. Für n=1 ist das Buchstabensymbol der Schale also K, für n=2 wird die Schale mit L bezeichnet und so weiter. (für n von 1 bis 7, die Buchstabenbezeichnung der Schalen: K bis Q).

Jede Elektronenschale in einem Atom besteht aus Unterschalen. Die Unterschalen sind durch ihre Nebenquantenzahlen l definiert. Auf den Unterschalen gibt es Elektronen, die streng definierte, gleiche Energiewerte haben. Auch Unterschalen haben eine bestimmte „Kapazität“ – sie können 2*(2*l+1) Elektronen aufnehmen, wobei l eine Nebenquantenzahl ist. Auch die Unterschalen haben ihre Buchstabenbezeichnungen: s, p, d, f, g, h, usw.

Elektronenkonfiguration

Um die Elektronenkonfiguration eines Atoms korrekt zu bestimmen, muss man die Reihenfolge der Energieebenen kennen (die Reihenfolge der einzelnen Unterschalen und Schalen nach steigendem Energiewert). Die Konfiguration ist nichts anderes als die Zuordnung der einzelnen Elektronen zu Energieebenen.

Man kann zwei Energiezustände des Atoms unterscheiden: den Grundzustand und den angeregten Zustand. Der Grundzustand liegt vor, wenn die Elektronen gemäß den Expansionsregeln auf den einzelnen Orbitalen verteilt sind. Er hat dann die niedrigste Energie. Nimmt das Atom einen bestimmten Anteil an Energie auf, so kann ein Elektron von einem Orbital niedrigerer Energie auf ein freies Orbital höherer Energie übertragen werden – man spricht dann vom angeregten Zustand des Atoms.

Um also die richtige Elektronenkonfiguration des Atoms im Grundzustand zu finden, muss man die einzelnen Orbitale unter Beachtung des Pauli-Verbots mit zunehmender Energie auffüllen. Nach diesen Regeln wird ein so genannter vollständiger Konfigurationsdatensatz erstellt, der die Nummern der aufeinanderfolgenden Schalen, die Buchstabenbezeichnungen der aufeinanderfolgenden Unterschalen und eine Aufzeichnung der Anzahl der Elektronen auf bestimmten Orbitalen enthält. Eine verkürzte Aufzeichnung der Elektronenkonfiguration enthält dagegen zunächst den Kern in Form einer Elektronenkonfiguration des Edelgases und die Ergänzung mit den übrigen Elektronen.