Elektronenkonfiguration

Flammenfarben entstehen beim Übergang auf niedrigere Energieniveaus

Wenn Salze wie $\mathrm{NaCl}$ oder $\mathrm{KCl}$ in einem Flammentest erhitzt werden, ist die sichtbare Farbe nicht zufällig. Wärmeenergie kann Elektronen vorübergehend in einen höheren Energiezustand versetzen. Wenn die Elektronen in einen niedrigeren Zustand zurückkehren, emittiert das Atom oder Ion Licht.

Das Bohrsche Modell nutzt diskrete Energieniveaus, um das Linienspektrum von Wasserstoff zu erklären.

$Diskret$ bedeutet, dass nur bestimmte Energiewerte möglich sind. Eine Treppe liefert das passende Bild: Man kann auf der ersten, zweiten oder dritten Stufe stehen. Zwischen den Stufen gibt es keinen Standplatz. Auch Elektronen dürfen im Atom nur bestimmte Energieniveaus einnehmen.

Flammenfarbe weist auf Elektronenenergie hin

$Anregung$ bedeutet, dass ein Elektron Energie aufnimmt und vorübergehend auf ein höheres Energieniveau wechselt. Beim Zurückkehren wird Energie als Licht frei. Ein echter Flammentest gehört wegen des Erhitzens von Chemikalien nur unter fachgerechter Aufsicht und mit passender Schutzausrüstung durchgeführt.

Elektronenverteilung im Schalenmodell

Die $Elektronenkonfiguration$ beschreibt, wie die Elektronen eines Atoms verteilt sind. Hier verwenden wir ein $vereinfachtes Schalenmodell$ , das sie den Schalen $\mathrm{K}$ , $\mathrm{L}$ , $\mathrm{M}$ und $\mathrm{N}$ zuordnet.

Für ein neutrales Atom:

e^- = Z

Das Symbol $e^-$ steht für die Elektronenzahl, $Z$ für die Ordnungszahl und damit die Protonenzahl. Ein neutrales Natriumatom mit $Z = 11$ besitzt also $11$ Elektronen.

Dieses vereinfachte Schalenmodell beschränkt sich auf leichte Elemente bis Calcium, also auf $Z \le 20$ . Für schwerere Elemente sind Unterschalen und Orbitale nötig.

Interaktives Elektronenschalenmodell

Wähle unten ein neutrales Atom. Lies zuerst seine Ordnungszahl und verfolge dann die Elektronen $von der innersten bis zur äußersten Schale$ .

Elektronenkonfigurationsmodell

Wähle ein neutrales Atom und lies seine Elektronenzahl im vereinfachten Schalenmodell für

\mathrm{K}

\mathrm{L}

\mathrm{M}

und

\mathrm{N}

ab.

Wasserstoff besitzt nur $1$ Elektron. Es befindet sich in der Schale $\mathrm{K}$ .

Ordnungszahl: $Z = 1$
Elektronenzahl: $e^- = 1$
Konfiguration: $1$
Äußerste Schale: $\mathrm{K}$

Die Reihenfolge der Schalenbelegung lesen

Im vereinfachten Schalenmodell für die ersten Elemente $bis Calcium$ werden kernnahe Schalen zuerst besetzt. Daraus ergibt sich folgende Reihenfolge:

Schale	Höchstzahl in diesem Modell	Lesart
$\mathrm{K}$	$2$	Erste Schale, dem Kern am nächsten.
$\mathrm{L}$	$8$	Wird nach der Schale $\mathrm{K}$ gefüllt.
$\mathrm{M}$	$8$ in diesem Einstiegsmuster	Wird nach der Schale $\mathrm{L}$ gefüllt.
$\mathrm{N}$	Beginnt in diesem Muster bei $Z = 19$ bis $20$	Nimmt die Elektronen nach der Belegung $2, 8, 8$ auf.

Das vereinfachte Schalenmodell kann für die Elemente von Wasserstoff bis Calcium verwendet werden. Die Anordnung $2, 8, 8, 2$ ist die Elektronenkonfiguration von Calcium. Jedes frühere Element besitzt so viele Elektronen, wie seine Ordnungszahl angibt. Bei schwereren Elementen müssen die Unterschalen berücksichtigt werden, weil die Schale $\mathrm{M}$ mehr als $8$ Elektronen aufnehmen kann.

Beispiel für Natrium:

\begin{aligned} \mathrm{Na}: Z &= 11 \\ e^- &= 11 \\ \text{Konfiguration} &= 2, 8, 1 \end{aligned}

Beispiel Chlor:

\begin{aligned} \mathrm{Cl}: Z &= 17 \\ e^- &= 17 \\ \text{Konfiguration} &= 2, 8, 7 \end{aligned}

Konfiguration und Spektrum verbinden

Die Konfigurationen im Schalenmodell zeigen die Anordnung der Elektronen im Grundzustand, also $im Zustand mit der niedrigsten Energie$ . Ein Linienspektrum entsteht, wenn ein Elektron Energie erhält und dann auf ein niedrigeres Energieniveau zurückkehrt.

Die Energie des emittierten Lichts kann wie folgt geschrieben werden:

\begin{aligned} E_{\text{Photon}} &= E_{\text{hoch}} - E_{\text{niedrig}} \\ &= h\nu \\ &= \frac{hc}{\lambda} \end{aligned}

Das Symbol $h$ bezeichnet das Plancksche Wirkungsquantum, $\nu$ die Frequenz des Lichts, $c$ die Lichtgeschwindigkeit und $\lambda$ die Wellenlänge. Die exakten Werte sind $h = 6{,}62607015 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\,s}$ und $c = 2{,}99792458 \times 10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$ .

Berechne als Beispiel die Energie eines Photons mit der Vakuumwellenlänge $600\ \mathrm{nm}$ . Verwende die gerundeten Konstanten $h\approx6{,}626\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}$ und $c\approx3{,}00\times10^8\ \mathrm{m/s}$ :

\begin{aligned} \lambda&=600\times10^{-9}\ \mathrm m=6{,}00\times10^{-7}\ \mathrm m\\ E&=\frac{hc}{\lambda}\\ &\approx\frac{(6{,}626\times10^{-34})(3{,}00\times10^8)}{6{,}00\times10^{-7}}\ \mathrm J\\ &\approx3{,}31\times10^{-19}\ \mathrm J \end{aligned}

Elektronen besetzen bestimmte Energieniveaus. Ein Übergang zu einem niedrigeren Energieniveau kann Licht mit einer bestimmten Energie frei. Die Elektronenkonfiguration beschreibt dagegen die Anordnung der Elektronen im Grundzustand.

Elektronenzahl aus der Ordnungszahl

Für eine einfache Elektronenkonfiguration hilft immer dieselbe Reihenfolge:

Zuerst klären, ob das Teilchen ein $neutrales Atom oder ein Ion$ ist.
Wenn es neutral ist, entspricht die Elektronenzahl der Ordnungszahl.
Die Schalen im verwendeten Modell von innen nach außen füllen.
Die Elektronenzahl jeder Schale durch Kommas getrennt notieren.

Für neutrales Magnesium:

\begin{aligned} Z &= 12 \\ e^- &= 12 \\ \text{Konfiguration} &= 2, 8, 2 \end{aligned}

Die Elektronenkonfiguration von neutralem Magnesium ist $2, 8, 2$ . Der Start mit der Ordnungszahl verhindert eine falsche Elektronenzahl beim neutralen Atom.