Orbitalmodell

Beim Orbitalmodell handelt es sich um ein Atommodell, welches auf der Forschung von Bohr und Rutherford beruht. Auch Erkenntnisse aus der Quantenmechanik werden dabei berücksichtigt. Das Orbitalmodell versucht zu beschreiben, wie sich die Elektronen eines Atoms um den Kern bewegen und wo sie sich mit großer Wahrscheinlichkeit befinden.

Das Orbitalmodell entwickelte sich aus dem ursprünglichen Bohrschen Atommodell, welches den Aufbau eines Atoms mit Schalen beschreibt, auf denen sich die Elektronen um den Kern befinden.

Arnold Sommerfeld fügte die Annahme hinzu, dass Elektronen nicht im Kreis um den Kern herum schweben, sondern sich auf Ellipsen bewegen.

Im weiteren Entwicklungsverlauf des Orbitalmodells stellte man fest, dass auch die Elektronen einen eigenen Drehimpuls besitzen.

Der Aufbau des Orbitalmodells

In einigen Atommodellen, zum Beispiel im Bohrschen Schalenmodell, bewegen sich die Elektronen in festen Kreisen um den Atomkern. In Wirklichkeit befinden sich die Elektronen allerdings in dreidimensionalen Räumen, die um den Atomkern angeordnet sind.

Die dreidimensionalen Räume bezeichnet man als Orbitale. Da man nicht genau wissen kann, wo sich die Elektronen tatsächlich befinden, stellen die Orbitale den Bereich dar, an dem sich die Elektronen am wahrscheinlichsten befinden.

Das Phänomen der Unklarheit darüber, wo sich die Elektronen tatsächlich befinden, bezeichnet man als Heisenbergsche Unschärferelation.

Die Wahrscheinlichkeit des Ortes, an dem sich das Elektron befindet, lässt sich durch eine mathematische Gleichung beschreiben. Durch die Schrödinger Gleichung lassen sich Aussagen zum Aufbau und Aussehen der Orbitale treffen.

Das Orbitalmodell im Periodensystem

Welche Orbitale ein Element besitzen, kannst du aus dem Periodensystem herauslesen. Je nachdem in welcher Periode sich ein Element befindet, besitzt es unterschiedliche viele Orbitale, in denen sich die Elektronen befinden.

Abbildung 1: Orbitalmodell, Quelle:

Das Orbitalmodell – Aufbau der ersten Periode

In der ersten Periode im Periodensystem befindet sich Wasserstoff und Helium. Die Elektronen der beiden Elemente befinden sich in einer Kugel um den Atomkern, die man 1s Orbital nennt.S-Orbitale sind kugelförmig und können bis zu zwei Elektronen aufnehmen:

• Bei Wasserstoff (H) handelt es sich um ein Element mit einem Außenelektron im 1s-Orbital.
• Das Helium-Atom (He) besitzt zwei Außenelektronen im 1s-Orbital.

Das Orbitalmodell – Aufbau der zweiten Periode

In der zweiten Periode bleibt das 1s Orbital erhalten und ein weiteres s-Orbital kommt hinzu. Die Bezeichnung dafür lautet 2s-Orbital. Nachdem die beiden Orbitale mit jeweils zwei Elektronen voll besetzt sind, kommt das p-Orbital hinzu.

Das p-Orbital besteht aus drei Orbitalen, die sich in verschiedene Richtungen verteilen und hantelförmig sind. Insgesamt passen somit 6 Elektronen in das p-Orbital.

p-Orbitale

Das Orbitalmodell – Aufbau der dritten Periode

Die dritte Periode des Periodensystems enthält Elemente, die weiterhin die vorherigen Orbitale 1s, 2s und 2p. Zusätzlich kommen noch das 3s-Orbital und das 3p-Orbital hinzu.

Das Orbitalmodell – Aufbau der vierten Periode

In der vierten Periode folgt auf die vorherigen Orbitale das 4s-Orbital und schließlich ein d-Orbital, welches aus fünf Orbitalen besteht, die insgesamt zehn Elektronen aufnehmen können.

Für die weiteren Perioden werden jeweils weitere s-, p- und d-Orbitale hinzugefügt. Auch f-Orbitale gibt es, welche allerdings nur sehr selten vorkommen.

Achtung!

Die Reihenfolge, in der die Orbitale mit Elektronen besetzt werden, entspricht nicht immer der Reihenfolge der Perioden. Man beginnt mit dem 1s-Orbital, gefolgt vom 2s-Orbital, 2p-Orbital, 3s-Orbital und 3p-Orbital. Danach folgt die Ausnahme, indem zuerst das 4s-Orbital und dann die 3d-Orbitale mit Elektronen besetzt werden.

Die Quantenzahlen des Orbitalmodells

Wenn durch die Elektronenkonfiguration die Verteilung der Elektronen um den Atomkern angegeben werden soll, geschieht das durch die Angabe der besetzten Unterschalen.

Zuerst wird die Nummer der Schale, beziehungsweise der Periode angegeben, zum Beispiel 1 (Hauptquantenzahl). Danach wird der Buchstabe der Unterschale geschrieben, zum Beispiel 1s (Nebenquantenzahl). Im Anschluss wird die Anzahl der Elektronen in der Unterschale in Form einer hochgestellten Zahl angegeben, wie etwa 1s1 (Wasserstoff).

Um die zwei Elektronen, die sich jeweils in einem Orbital befinden, unterscheiden zu können, wurden die Quantenzahlen eingeführt. Zu den Quantenzahlen gehören:

n = Hauptquantenzahl (1, 2, 3, …)

l = Nebenquantenzahl (0, 1, 2, … n-1)m = Magnetische Quantenzahl (-l, -l+1, -l+2 … l-1, l)s = Spinquantenzahl (+1/2, -1/2)

Hauptquantenzahl n

Die Hauptquantenzahl stellt die Schalen im Bohrschen Atommodell dar. Die Hauptquantenzahl n = 1 bezeichnet beispielsweise die K-Schale. Die Hauptquantenzahl n = 2 stellt die L-Schale dar.

Nebenquantenzahl I

Bei der Nebenquantenzahl I im Orbitalmodell geht es um die Beschreibung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons. Somit stellt die Nebenquantenzahl dar, welches Orbital vorliegt (s-, p-, d- oder f-Orbital). Sie wird von der Hauptquantenzahl abgeleitet.

Magnetische Quantenzahl m

Die Magnetische Quantenzahl wird von der Nebenquantenzahl I abgeleitet und beschreibt den Drehimpuls der Elektronen um den Kern. Aus diesem Grund gibt es zum Beispiel 3 p-Orbitale, da diese sich in unterschiedliche Raumrichtungen verteilen.

Spinquantenzahl s

Die Spinquantenzahl soll die einzelnen Elektronen beschreiben, die sich im Orbital befinden. Jedes Orbital kann zwei Elektronen aufnehmen, die sich durch ihre Eigenrotation, die durch die Spinquantenzahl dargestellt wird, unterscheiden. Die Rotation der Elektronen kann mit oder gegen den Uhrzeigersinn um die eigene Achse geschehen.

Orbitalmodell – Alles Wichtige auf einen Blick!

• Das Orbitalmodell entwickelte sich aus dem Bohrschen Atommodell, welches den Aufbau eines Atoms mit Schalen beschreibt.

• Das Orbitalmodell beschreibt die wahrscheinliche Bewegung eines Elektrons um den Atomkern.

• Die dreidimensionalen Räume, in denen sich die Elektronen bewegen, bezeichnet man als Orbitale.

• Die Heisenbergsche Unschärferelation bezeichnet das Phänomen, dass man keine genauen Angaben zur Position der Elektronen geben kann.

• Die Orbitale eines Elements lassen sich anhand der Perioden aus dem Periodensystem herauslesen.

• Ein Atom kann s-, p-, d- und f-Orbitale enthalten

• Jedes Orbital kann zwei Elektronen enthalten.

• Um die einzelnen Elektronen zu unterscheiden wurden die Quantenzahlen Hauptquantenzahl n, Nebenquantenzahl I, Magnetische Quantenzahl m und Spinquantenzahl s eingeführt.