Die elektronische Struktur eines Atoms bestimmt die Verteilung von Elektronen über verschiedene Energieniveaus. Um diese Verteilung einfacher zu erklären, wird ein Notationssystem verwendet, das auf Primärquantenzahlen basiert. Sie helfen, die Anzahl der Elektronen zu bestimmen, die für ein bestimmtes Energieniveau erlaubt sind - eine Hülle.
Hauptquantenzahl (n) zeigt die Energie der Elektronen an und nimmt Werte von 1 bis unendlich an. Je größer der Wert von n ist, desto höher ist die Energie und der Abstand vom Elektron zum Atomkern.
Die Anzahl der Elektronen mit einer gegebenen Primärquantenzahl n kann mit der Formel 2n2 bestimmt werden. Zum Beispiel für das erste Energieniveau (n = 1) nimmt die Formel die Form 2 × 12 = 2 an, wobei die Zahl 2 die Gesamtzahl der Elektronen angibt, die auf diesem Niveau erlaubt sind.
Grenzwerte für die Anzahl der Elektronen
Die Anzahl der Elektronen, die in einem Atom existieren dürfen, ist durch die Prinzipien der Quantenmechanik begrenzt. Die Hauptquantenzahl (n) bestimmt das Energieniveau eines Elektrons und begrenzt gleichzeitig die maximale Anzahl von Elektronen, die dieses Niveau einnehmen können.
Nach der Pauli-Regel dürfen sich auf jeder Energieniveau nicht mehr als zwei Elektronen mit gegenüberliegenden Spins befinden. Somit kann ein Level mit n = 1 maximal 2 Elektronen enthalten, ein Level mit n = 2 maximal 8 Elektronen, ein Level mit n = 3 maximal 18 Elektronen.
Es gibt auch Regeln für die Auswahl von Unterebenen (s, p, d, f), die die Grenzwerte für die Anzahl der Elektronen auf jeder Ebene ergänzen. Zum Beispiel gibt es auf der ersten Energieebene (n = 1) nur eine Unterebene, s, die maximal 2 Elektronen enthalten kann. Auf der zweiten Ebene (n = 2) gibt es zwei Unterebenen, s und p. Die Unterebene s kann 2 Elektronen enthalten und die Unterebene p kann 6 Elektronen enthalten. Somit können sich insgesamt 8 Elektronen auf der zweiten Ebene befinden.
Die Beschränkungen für die Anzahl der Elektronen mit einer gegebenen n-Primärquantenzahl helfen bei der Bestimmung der Struktur und Stabilität von Atomen und erklären auch die Bildung von elektronischen Schalen und chemischen Bindungen. Wenn Sie diese Einschränkungen kennen, können Sie feststellen, wie viele Elektronen sich in einem bestimmten Bereich eines Atoms befinden können und wie sich dies auf seine chemischen Eigenschaften auswirkt.
Parsen von n der primären Quantenzahl
Die Hauptquantenzahlen (n) in einem Atom bestimmen das Energieniveau eines Elektrons und seine Entfernung vom Kern. Jedes Elektron im Atom hat seine eigene Umlaufbahn, die einer bestimmten Primärquantennummer entspricht.
Die Werte der Primärquantenzahlen können nur positive ganze Zahlen sein (1, 2, 3 usw.). Je größer der Wert von n ist, desto höher ist die Energie des Elektrons und seine Entfernung vom Kern.
Es ist wichtig zu verstehen, dass jeder primären Quantenzahl die maximale Anzahl von Elektronen entspricht, die dieses Energieniveau einnehmen können. Diese maximale Zahl wird durch die Formel 2n^2 definiert.
Zum Beispiel ist für die erste Hauptquanten-Zahl (n = 1) die maximale Anzahl von Elektronen gleich 2 * (1^2) = 2. Dies bedeutet, dass sich nicht mehr als zwei Elektronen auf dem ersten Energieniveau befinden können.
Für die zweite Hauptquantenzahlenzahl (n= 2) ist die maximale Anzahl von Elektronen gleich 2 * (2^2) = 8. Somit kann sich auf der zweiten Energieniveau nicht mehr als acht Elektronen befinden.
In ähnlicher Weise wird für die dritte Hauptquanten-Zahl (n = 3) die maximale Anzahl von Elektronen gleich sein 2 * (3^2) = 18.
Somit steigt mit zunehmendem Wert der Hauptquantenzahlen auch die maximale Anzahl von Elektronen an, die ein gegebenes Energieniveau im Atom einnehmen kann.
Die Anzahl der Elektronen in jedem Energieniveau
1 Energieniveau: n = 1, Anzahl der Elektronen = 2 * 1^2 = 2
2 energieniveau: n = 2, Anzahl der Elektronen = 2 * 2^2 = 8
3 energieniveau: n = 3, Anzahl der Elektronen = 2 * 3^2 = 18
Und so weiter. Die Formel zeigt, dass auf jedem Energieniveau eine bestimmte Anzahl von Elektronen vorhanden sein kann, die durch die primäre Quantenzahl begrenzt sind. Diese Zahl bestimmt, wie viele energetische Unterebenen auf einem bestimmten Niveau vorhanden sind und daher wie viele Elektronen ein bestimmtes Niveau haben können.
Die Beschränkungen für die Anzahl der Elektronen mit einer gegebenen n Primärquantenzahl sind der Schlüssel zum Verständnis der Organisation der elektronischen Struktur eines Atoms.
Verteilung von Elektronen in Unterebenen
Das Volumen der Elektronenhülle eines Atoms kann in Unterebenen unterteilt werden, die durch die zweite Quantenzahl l definiert werden. Jede Unterebene kann eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen, die durch die dritte Quantenzahl m bestimmt wird.
Es gibt 2n^2 Unterebenen für jede n Hauptquanten-Zahl. Das Niveau s (l=0) kann 2 Elektronen enthalten, die p-Werte (l=1) können 6 Elektronen enthalten, die d-Werte (l=2) können 10 Elektronen enthalten und die f-Werte (l=3) können 14 Elektronen enthalten.
Die Unterebenen werden nach den folgenden Regeln ausgefüllt:
- Zuerst werden Elektronen mit der geringsten Energie gefüllt.
- Die Unterebene s wird immer zuerst ausgefüllt.
- Die p-Ebene kann nicht befüllt werden, bis die s-Ebene vollständig gefüllt ist.
- Die Stufe d kann erst ausgefüllt werden, wenn die Stufen s und p vollständig gefüllt sind.
- Die Stufe f kann erst ausgefüllt werden, wenn die Stufen s, p und d vollständig gefüllt sind.
Die Verteilung der Elektronen in den Unterebenen bestimmt die chemischen Eigenschaften der Elemente und ihre Position im Periodensystem.
Elektronen in der s-Unterebene
Gemäß dem Verpackungsprinzip füllen Elektronen zuerst die kleinsten Energieniveaus aus. Um eine s-Unterebene zu füllen, müssen Sie daher zuerst 1 Elektron und dann noch 1 verwenden, um die maximal mögliche Anzahl von Elektronen für diese Unterebene zu erreichen.
Das Vorhandensein von Elektronen auf der s-Unterebene beeinflusst die chemischen Eigenschaften eines Atoms. Die Anzahl der Elektronen in der s-Unterebene kann auf eine Gruppe von Elementen im Periodensystem hinweisen, da jede Gruppe die gleiche Anzahl von Elektronen in dieser Unterebene aufweist.
Elektronen auf der p-Unterebene
Die Gesamtzahl der Elektronen in der Unterstufe p beträgt 6. Elektronen füllen die Umlaufbahnen nach dem Maxwell–Heisenberg-Prinzip. Zuerst füllen alle drei Orbitale ein Elektron mit einem parallelen Spin auf. Dann beginnen die Elektronen, die Orbitale mit gegenüberliegenden Spins zu füllen.
Somit können sich in jedem Orbitalp maximal zwei Elektronen mit gegenüberliegenden Spins befinden.
Beispiel für das Füllen von Elektronen in der Unterebene p:
- px orbital: ↑↓
- py orbital: ↑↓
- pz orbital: ↑↓
Die Gesamtzahl der Elektronen auf der Unterebene p wird durch die Formel 2n 2 bestimmt . Wobei n die primäre Quantenzahl ist, die das Energieniveau angibt (von 2).
Elektronen in der d-Unterebene
Jedes der fünf d-Orbitale kann zwei Elektronen aufnehmen, was bedeutet, dass die Gesamtzahl der Elektronen auf der d-Unterebene 10 nicht überschreiten darf. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die d-Unterebene nach dem Maxwell-Prinzip mit Elektronen zu füllen:
- Füllen von D-Orbitalen, die mit niedriger Energie beginnen und sich allmählich in Richtung höherer Energie bewegen. Dabei können Elektronen unterschiedliche d-Orbitale mit unterschiedlichen Spins einnehmen.
- Alle fünf d-Orbitale werden nach dem Hund-Prinzip mit gepaarten Elektronen gefüllt. Dies bedeutet, dass die Elektronen zunächst gleichmäßig auf alle fünf Orbitale mit der gleichen Energie verteilt werden, und dann wird es bei einigen Elektronen einen "illegalen" Überlauf alternativer Orbitale geben, um die Energiestabilität zu erreichen.
Die Begrenzung der Anzahl der Elektronen auf der d-Subebene ist mit der Energiestruktur eines Atoms verbunden und sorgt für eine stabile Verteilung der Elektronen um den Atomkern herum. Die korrekte Verteilung von Elektronen auf der d-Subebene spielt eine wichtige Rolle bei den chemischen Reaktionen und Eigenschaften der Elemente.
Elektronen in der f-Unterebene
Die Unterebene f hat die Fähigkeit, bis zu 14 Elektronen der entsprechenden f-Orbitale aufzunehmen. Das Ausfüllen der f-Unterebene erfolgt nach den folgenden Regeln:
- Auf der f-Unterebene befinden sich 7 f-Orbitale: 5d, 4f, 5f, 6s, 6p, 7s und 7p.
- Elektronen nehmen schnell höhere Energiebahnen ein, bevor sie niedrigere Energiebahnen einnehmen.
- Nachdem die Orbitale der d-Unterebene gefüllt sind, beginnen sich die Orbitale der f-Unterebene zu füllen.
- Auf jedem der f-Orbitale können sich maximal 2 Elektronen mit gegenüberliegenden Spins befinden.
Somit kann die f-Unterebene bis zu 14 Elektronen enthalten.
