Untertitel: Jenseits von Lithium

Die chemischen Elemente sind im Periodensystem geordnet dargestellt. Diese Regelmäßigkeit kommt durch die möglichen Energiezustände der Elektronen zu Stande. Man kann das Periodensystem daher nur quantenmechanisch verstehen.

Noch einmal kurz zur Wiederholung: Ein eingesperrtes Elektron kann man mit Hilfe einer stehenden Wahrscheinlichkeitswelle beschreiben. Aus dieser kann man auf den Aufenthaltsort des Elektrons schließen, das Orbital. Im eindimensionalen Fall sieht die Wellenfunktion wie eine schwingende Saite aus. Es kann nur die Wellenlänge variieren. Man kann den eindimensionalen Fall mit nur einer Quantenzahl vollständig beschreiben.

Quantisierte Energie

Auch ein Elektron in der Atomhülle ist durch die elektrische Anziehung durch den Kern quasi „eingesperrt„ und kann ebenfalls durch eine stehende Wahrscheinlichkeitswelle beschrieben werden. In diesem realen, dreidimensionalen Fall gibt es wesentlich mehr Variationsmöglichkeiten, und die Orbitale sehen teilweise ziemlich kurios aus. Zur Beschreibung sind in diesem Fall vier Quantenzahlen notwendig. Die Hauptquantenzahl `n` und die Drehimpulsquantenzahl `l` legen die Energie des Elektrons fest (folgende Abb.n).

Die vier Quantenzahlen

Übersicht über die Orbitalformen der ersten 4 Schalen (K, L, M und N) bei Wasserstoff.
Die Quantenzahlen `n` und `l` wurden variiert (`m` = 0).

a) Die Quantenzahlen `n` und `l` legen die Energie des Elektrons fest,

b) „Ineinandergeschobene“ Energieniveaus. Bei höheren Hauptquantenzahlen werden die Abstände kleiner, und es kommt zu „Unregelmäßigkeiten„ in der Reihenfolge. So hat zum Beispiel ein Elektron im 4s-Orbital weniger Energie als im 3d-Orbital. Wasserstoff bildet mit nur einem Elektron eine Ausnahme. Bei ihm hängen die Energienniveaus nur von `n`, aber nicht von `l` ab.

Mit Hilfe der Schachbrettregel kannst du dir die Reihenfolge merken, mit der sich die Orbitale auffüllen. Du musst dazu von unten beginnend Zeile für Zeile von links nach rechts lesen.

Die Elemente dieses Universums unterscheiden sich durch die Anzahl der Protonen (F16). Die Zahl der Elektronen und Protonen ist pro Element immer gleich groß - Atome sind ja nach außen elektrisch neutral. Für die chemischen Eigenschaften sind nur die Elektronen bedeutend. Will man also die Eigenschaften eines Elements wissen, muss man Anzahl und Energien seiner äußeren Elektronen kennen.

Valenzelektronen

Die Energien der Elektronen kann man mit Hilfe der Schrödingergleichung berechnen. Exakt lassen sich diese aber nur für den Wasserstoff ermitteln. Bereits ab Helium ist man auf Näherungen angewiesen. Das liegt aber nicht an der Unfähigkeit der Physiker, sondern an der Komplexität der dazu nötigen Gleichungen.

Die Orbitale sind ihrer Energie nach geordnet. Wenn ein Orbital aufgefüllt ist, wird das nächste „eröffnet“, z entspricht der Anzahl der möglichen Elektronen in diesem Orbital. In den s-Orbitalen sind 2, den p-Orbitalen 6, den d-Orbitalen 10 und den f-Orbitalen 14 Elektronen möglich.

Jedes weitere Elektron in der Hülle nimmt den Platz mit der niedrigstmöglichen Energie ein. Ist ein Orbital voll, wird ein neues „eröffnet„, das wiederum von allen möglichen die niedrigste Energie hat. Das Pauli-Verbot besagt (etwas umformuliert): Die Elektronen im Atom dürfen nicht in allen 4 Quantenzahlen übereinstimmen. Mit dem Pauli-Verbot und der Schachbrettregel kannst du den Aufbau des Periodensystems nachvollziehen.

Das Periodensystem aus Sicht der Orbitale. Als „Perioden“ bezeichnet man dabei die Zeilen. Die Zahlen über den Gruppen geben die Valenzelektronen an (siehe Infobox Valenzelektronen). Alle Elemente ab Uran kann man nur künstlich erzeugen. Das höchste bisher erzeugte Element hat die Ordnungszahl 118 (Stand 2008). Namen sind bisher nur bis 111 vergeben worden. Darüber haben die Elemente eine lateinische Bezeichnung, die ihre Ordnungszahl andeutet, etwa Ununbium für 112 (unum = 1, bium = 2).

Das Periodensystem

Zusammenfassung