Orbitalmodell

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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.

Die Geschichte des Orbitalmodells

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 besitzt 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. 




Das Orbitalmodellaufbau 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 Orbitalmodellaufbau der zweiten Periode


In der zweiten Periode bleibt das 1s Orbital erhalten und ein weiteres s-Orbital kommt hinzu. Der 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 Orbitalmodellaufbau 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 Orbitalmodellaufbau 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!


Nun hast du schon das Ende dieses Artikels erreicht. Hier findest du noch eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Punkte:


  • 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 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.


Wunderbar!

Nun kennst du den Aufbau des Atoms nach dem Orbitalmodell. 

Auf StudySmarter findest du noch weitere Artikel zu den wichtigsten Themen in Chemie, unter anderem auch zum Bohrschen Atommodell.


Finales Orbitalmodell Quiz

Frage

Was ist das Orbitalmodell?

Antwort anzeigen

Antwort


Ein Atommodell, das versucht zu beschreiben, wo sich die Elektronen um den Atomkern herum befinden könnten.


Frage anzeigen

Frage

Auf wessen Erkenntnisse beruht das Orbitalmodell?

Antwort anzeigen

Antwort


Das Orbitalmodell entwickelte sich aus dem Bohrschen Atommodell. Auch Rutherford und Sommerfeld spielten beim Erkenntnisgewinn eine Rolle.


Frage anzeigen

Frage

Was sind Orbitale?

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Antwort


Orbitale sind die dreidimensionalen Räume in denen sich die Elektronen um den Atomkern herum bewegen.


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Frage

Welches Phänomen beschreibt die Heisenbergsche Unschärferelation?

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Antwort


Die Position von Elektronen die sich um den Atomkern bewegen lässt sich nicht hundertprozentig feststellen.


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Frage

Welche Orbitale gibt es im Orbitalmodell?

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Antwort


Ein Atom kann s-Orbitale, p-Orbitale, d-Orbitale und f-Orbitale besitzen


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Frage

Wie viele Elektronen kann ein Orbital besitzen?

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Antwort

Pro Orbital können maximal zwei Elektronen enthalten sein.


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Frage

Was sind die Quantenzahlen?

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Antwort


Hauptquantenzahl n, Nebenquantenzahl I, Magnetische Quantenzahl m und Spinquantenzahl s.


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Frage

Welche Form haben s-Orbitale?

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Antwort

S-Orbitale sind kugelförmig

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Frage

Welche Form haben p-Orbitale?

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Antwort


P-Orbitale sind hantelförmig


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Frage

In welcher Reihenfolge werden die Orbitale mit Elektronen besetzt?

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Antwort


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.


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Frage

Wie wird die Verteilung der Elektronen um den Atomkern angegeben?

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Antwort


Nummer der Schale, Buchstabe der Unterschale, Anzahl der Elektronen in der Unterschale als hochgestellte Zahl. Beispiel Wasserstoff: .


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Frage

Durch welche mathematische Gleichung lässt sich der Aufbau und das Aussehen von Orbitalen bestimmen?

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Antwort


Durch die Schrödinger Gleichung.


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Frage

Welche Orbitale und wie viele Außenelektronen besitzt Wasserstoff?

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Antwort

Wasserstoff besitzt ein Außenelektron auf dem 1s-Orbital.


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Frage

Welche Orbitale und wie viele Außenelektronen besitzt Helium?

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Antwort

Helium besitzt zwei Außenelektronen im 1s-Orbital.


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Frage

Was stellt die Nebenquantenzahl dar?

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Antwort


Die Nebenquantenzahl stellt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons dar und damit welches Orbital vorliegt (s-, p-, d- oder f-Orbital).


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