Frage von Usedefault, 62

Orbitalverteilung Logik?

Hallo!

Wenn ein Kern frei von Elektronen ist und nun fügte man nach der Reihe Elektronen hinzu, so verteilen sich diese ja örtlich auf die Schalen.

Unterliegt das Muster der Orbitalbesetzung einer Logik, oder ist das schlichtweg hinzunehmen?

Lg

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von DedeM, Community-Experte für Chemie, 25

Moin,

wie man's nimmt. Im Grundzustand, also im energieärmsten Zustand, erfolgt die Befüllung von Atomorbitalen schon nach einer gewissen Logik. Sie unterliegt im Wesentlichen vier Richtlinien:

1. Die Energieregel
Elektronen, die sich in Kernnähe befinden, haben weniger Energie als solche, die weiter vom Kern entfernt sind. Darum müssen Orbitale von Atomen im Grundzustand von innen (energieärmere Zustände) nach außen (energiereichere Zustände) aufgefüllt werden.

2. Die Hundsche Regel
Sind Energiezustände formal gleich groß (Beispiel: die drei p-Orbitale; solche energiegleichen Orbitale bezeichnet man auch als "entartet"), so müssen sie so besetzt werden, dass der gleiche Spin von Elektronen maximal wird. Mit anderen Worten: du musst energiegleiche Orbitale zunächst einfach mit Elektronen besetzen, die alle den gleichen Spin haben, bevor du eine Auffüllung der Orbitale mit jeweils einem zweiten Elektron vornimmst (das dann einen entgegengesetzten Spin haben muss).

3. Das Pauli-Verbot
In einem Atom gibt es keine zwei Elektronen, die in allen vier Quantenzuständen übereinstimmen. Die vier Quantenzustände sind: die Hauptquantenzahl n (sie bestimmt den grundsätzlichen Energiegehalt eines Elektrons), die Nebenquantenzahl l (welche - veranschaulicht ausgedrückt - eventuell untergeordnete Aufenthaltsräume für Elektronen festlegt), die Magnetquantenzahl m(l) (die noch einmal das Verhalten von Orbitalausrichtungen in einem Magnetfeld unterscheidet) sowie die Spinquantenzahl m(s) (durch die bestimmt wird, ob sich ein Elektron im oder entgegen dem Uhrzeigersinn um seine eigene Achse dreht). Befinden sich zwei Elektronen im selben Orbital, müssen sie sich gemäß dieser Regel also in ihrem Spin unterscheiden.

4. Die Regel der halbgefüllten Orbitale
Liegen Orbitale energetisch auf vergleichbarem Niveau (zum Beispiel das 4-s-Orbital und die 3-d-Orbitale), so ist es energetisch günstiger, wenn die beiden Niveaus jeweils halbvoll besetzt sind, als wenn das (energetisch minimal günstiger liegende) 4-s-Orbital voll besetzt ist, während die 3-d-Orbitale "irgendwie" befüllt sind.

Wenn die Atome durch Energiezufuhr angeregt werden oder es zu einer Hybridisierung kommt, kann es zu anderen Besetzungen kommen (die allerdings auch gewissen Regeln unterliegen). Auch bei der Bildung von Molekülorbitalen kommt es zu einer Aufspaltung der jeweilis beteiligten Atomorbitale und damit zu einer anders geregelten Befüllung der neuen Molekülorbitale.

Solltest du das jetzt ganz oder in Teilen nicht verstanden haben, musst du mal kurz erwähnen, auf welchem Niveau du nähere Auskünfte benötigst.

Wenn du dagegen wissen wolltest, wieso die Orbitale ihre jeweilgen Formen haben, so muss ich dir sagen, dass dies mit mehr oder weniger komplizierten mathematischen Berechnungen zu tun hat (Wellenfunktionen; Schrödinger-Gleichung; Hamilton-Operator; Quadrierung usw.). Um das zu verstehen, reicht eine kurze (anschauliche) Antwort hier nicht aus. Da würde ich der Einfachheit halber dazu raten, die Definition für den Begriff "Orbital" sowie deren Formen (kugelförmige s-Orbitale, hantelförmige p-Orbitale...) einfach auswendig zu lernen...

LG von der Waterkant

Kommentar von Usedefault ,

Wie kann eine Elektron einen Spin (Achsenrotation) haben, wenn es eine Welle ist, die lt. anderen Forenphysikern das Orbital selbst ist?

Kommentar von DedeM ,

Jedes Objekt unterliegt dem sogenannten Teilchen-Welle-Dualismus (de Broglie). Ich bin ebenfalls einerseits ein "Teilchen" (wenn auch ein ziemlich dickes) und gleichzeitig eine (stehende) Welle. Nur ist es in meinem Fall so, dass die Eigenschaften, die ich als Teilchen besitze, um so vieles größer sind als meine Welleneigenschaften (Wellenlänge, Amplitude...), dass ich in der makroskopischen Welt eben nur als "Teilchen" wahrgenommen werde. Im Mikrokosmos der Atome - und erst recht auf subatomarem Niveau der Elektronen, erhalten die Welleneigenschaften von Teilchen eine ungleich größere Bedeutung, so dass man eben nicht mehr sagen kann, dass ein Elektron allein ein negativ geladenes Teilchen sei. Aber deshalb hört es nicht auf, auch korpuskuläre Eigenschaften zu behalten. Es ist eben gleichzeitig Teilchen und (stehende) Welle. Und zu seinen Teilcheneigenschaften gehört eben, dass es sich um seine eigene Achse dreht...

Kommentar von SlowPhil ,

Man kann noch ergänzen, dass eine wichtige Bedingung für den Bahndrehimpuls

L = (n–1)·ħ, n = 1, 2, 3, …

ist. Die Elektronen müssen eine stehende Welle im Atom bilden, das ist die Bedingung für einen stationären Zustand.

Antwort
von ThomasJNewton, 33

Die Reihenfolge der Besetzung unterliegt schon einer Logik.
Nämlich der Energie, die die Elektronen in bestimmten Orbitalen haben.

Letztlich ist alles auf die Coulomb-Kraft zurückzuführen, die Elektronen "wollen" so nah wie möglich an den Kern.
Allerdings unterliegen Elektronen auch Regeln, und sind ja auch Wellen, mit Knotenflächen usw.

Wenn du es noch nicht getan hast, solltest du mal die Bildersuche zu "Orbital" starten.
Orbitale sind kugelsymmetrisch, hantelförmig, kleeblattförmig und schlimmer.
Und selbst die kugelsymmetrischen haben kugelschalenförmige Knotenflächen, bis auf die erste Schale natürlich.

Wenn die Knotenflächen durch den Kern gehen, ist dort die Dichte natürlich gleich null, daher sind sie erst mal benachteiligt.
Aber höhe Schalen sind gegenüber niedrigeren auch benachteiligt, sodass sich irgendwann eine "Konkurrenzsituation" ergibt.

Die Form der Orbitale wird ja auch durch Buchstaben repräsentiert, theoretisch auch als Nebenquantenzahl.
Jedenfalls haben die s-Orbitale der 6. Schale etwa die gleiche Energie wie die d-Orbitale der 5. Schale und die f-Orbitale der 4. Schale.

So gleich, dass es zu den (schon recht komplizierten Regeln) auch noch etliche Ausnahmen gibt.
Und ja, die Regeln musst du einfach lernen, die Ausnahmen nicht.
Bis auf Chrom vielleicht, Cu, Ag und Au etc. ;-)

Kommentar von Usedefault ,

Obwohl man in solche Fragen keine Einsicht hat und sich alle Informationen der statistischen Wahrscheinlichkeit entziehen, kann ich mir nicht vorstellen, dass dieses höchst intelligent harmonisierende Meisterwerk 'Wirklichkeit' von keiner Intelligenz konzipiert wurde und einfach aus dem Nichts entstanden sei.

Kommentar von ThomasJNewton ,

Darüber solltest du erst eine Meinung haben, wenn du wesentlich mehr Ahnung hast.

Tut mir leid, um die Welt zu verstehen, muss man eben systematisch vorgehen, nach Lehrbuch, und das nächste Kapitel erst anfangen, wenn man das vorige verstanden hat.

Wenn du immer nur einzelne Punkte ohne Zusammenhang herauspickst, wirst du nie Zusammenhänge verstehen, und damit die Details auch nicht wirklich.

Dieses Nichtverstehen ist natürlich der Weltbildmalerei sehr förderlich, ist deine Entscheidung.

Kommentar von Usedefault ,

Bring meiner Interesse deine Meinung(en) näher: Alles spontaner Zufall oder alles von jemandem erschaffen?

Der Mortimer liegt eh schon bereits, momentan lese ich noch an einer Lektüre über das Erbrecht.

Kommentar von ThomasJNewton ,

Ich weiß einfach nicht, welche Interessen du verfolgst.

Du fragst seit Wochen sehr viel, vielleicht auch seit Monaten, und ich erkenne keinen Zusammenhang, und schlimmer noch, nicht mal einen Wissensstand, auf dem du aufbaust oder aufbauen willst.

Klar kann man sich mal in unbekannte Gefilde vorwagen, aber echtes und solides Verständnis ist immer in schon vorhandenem Wissen verankert, oder darauf gegründet.

Da hilft dir auch ein Mortimer nichts, wenn du da immer nur neue Fragen rauspickst, anstatt ein größeres Fundament des Verständnisses aus deinem jetzt noch kleineren soliden Fundament zu machen.

Über Gott kannst du mit mir nicht diskutieren, auch nicht über andere "Schöpfer".
Nach allem, was ich über die Natur weiß, und ich habe das immerhin mal studiert und mir viel angelesen, immer darauf bedacht, meine Granzen zu kennen:

Über die Biologie weiß ich genug, um den ganzen Kreatonisten-Quark zu widerlegen.
Physik habe ich nicht studiert, habe aber doch schon etwas mehr Ahnung als ein reiner Populärphysiker. Jedenfalls kann ich dir die SRT herleiten.
Demnach wäre Gott eine Mischung von Buchhalter und Jurist. Schau dir mal all die Symmetrien und Erhaltungssätze an.

Mit all der Energie dieser Welt kannst du kein Elektron erschaffen. Weil es das Gesetz zur Erhaltung der Leptonenzahl gibt.
Nicht mal ein Neutrino, denn auch das ist ein Lepton, und hat nicht mal eine Ladung.
OK, die Physiker werden mir da widersprechen. Es hat schon eine "Ladung", den schwachen Isospin oder so. Da ist eben die Grenze meines Verständnisses überschritten, und deshalb sage ich auch nichts dazu.

Selbst wenn die Welt, mit ihren Gesetzen, von einem höheren Wesen erschaffen wurde, was veranlasst dich, zu denken, dass du ihm schneller nahekommst, wenn du seine Gesetze ignorierst, und unter Missachtung seiner Gesetze Umleitungen oder Abkürzungen suchst?

Das würde mich interessieren.
Warum bist du an schnellen Antworten auf Detailfragen mehr interessiert als an einem wirklichen Verständnis der komplexen Zusammenhänge?

Kommentar von Usedefault ,

Meine Fähigkeit hinzunehmen war immer schon miserabel. Ich habe in Physik nicht maturiert, aber es wurde nie irgendetwas erklärt und jede Formel musste halt gelernt und angewendet werden.

Jetzt habe ich zum ersten mal genug Zeit, da ich auf Grund von Immobilien keine Geldnot habe.

Ich denke mir immer, wenn man alle möglichen Denkmuster kopiert, kann man aus ihnen nicht heraustreten.

Und weiters glaube ich, wenn ich mein Gedächtnis mit Fragmenten füttere, erzeugt es mir irgendwann Wahrhaftigkeiten.

Was wir als die Lehren der Physik betrachten, sind ja nur Beschreibungen von Bedingungen der Wirklichkeit.

Mein Wille ist wohl der Wunsch Wahrhaftigkeit zu finden.

In der Technik wird vieles einfach hingenommen. Der sekundäre Wille (primär die Sehnsucht nach Macht, Luxus oder Anerkennung) besteht in der Vermarktung und die Physiklehre ist nur Mittel zum Zweck. Genauso vermarktet der Lehrer die Physiklehre, wodurch 95% der Menschen die Schule hassen, aber nicht die Möglichkeit haben, sich dem System abzuwenden.

Kommentar von ThomasJNewton ,

Du liegst jedenfalls zu 100 % falsch.

Und frag mich nicht nach Begründungen, du hast ja bislang nichts annehmen können, was sollte sich in Zukunft ändern?!

Nur eins noch:

Was wir als die Lehren der Physik betrachten

Das ist Hochmut, und der kommt vor dem Fall.

Du bist ja nicht mal bereit, es zu betrachten, es zu verstehen sowieso nicht.

EOD oder RIP

Kommentar von Usedefault ,

Aber vielleicht liegt mein obsessives Hinterfragen ja auch nur in der Bange einen Blödsinn einzulernen.

Die Menschheit ist so schlecht und hasserfüllt, da ist Missgunst und Schadenfreude keine Seltenheit!

Kommentar von DedeM ,

Ja, ja, der Atombau ist in der Tat "wundervoll". Aber ob dahinter gleich ein "intelligenter Designer" stecken muss, erscheint mir nicht unbedingt zwingend. Immerhin gehorchen nach naturwissenschaftlicher Vorstellung die Elektronen vollkommen nüchtern betrachtet eventuell doch einfach nur dem Streben nach möglichst geringem Energieaufwand. Versteh mich nicht falsch, ich möchte dir eine Vorstellung einer wie auch immer gearteten Intelligenz nicht verbauen oder ausreden (auch wenn ich persönlich nichts dergleichen glaube), aber ich will es mal so sagen: nur weil ich lieber faul (also mit möglichst geringem Energieaufwand) auf meinem Sofa herumliege anstatt (energieverbrauchend) mein Zimmer aufzuräumen, so dass letzteres gemäß den Gesetzen der Entropie einem stetig wachsenden Chaos zustrebt, denke ich auch nicht in erster Linie an eine "Intelligenz", die mich zu dem gemacht hat, der ich bin (in diesem Fall einem faulen Schw...).

Aber nichts für ungut...

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