Was hat es mit den Quantenzahlen auf sich (Periodensystem d. E.)?
Vorweg: Grundsätzlich verstehe ich, was die einzelnen Quantenzahlen zu bedeuten haben. Die Zuordnung zu den Elementen verwirrt mich aber. Wieso z.B hat das Element Cer die Nebenquantenzahl l=3 (f-Zustand)? Das Element verfügt neben den f-Orbitalen doch auch über s-, p- und d-Orbitale. Und zuletzt: Wie funktioniert die Zuordnung der Magnetquantenzahl? Ich hoffe, jemand kann hier etwas Licht ins Dunkle bringen :)
1 Antwort
Wieso z.B hat das Element Cer die Nebenquantenzahl l=3 (f-Zustand)?
Zunächst einmal sollte man das so nicht sagen. Ein Element hat keine Quantenzahl. Ein Elektron hat einen quantenmechanischen Zustand, der durch 4 Quantenzahlen eindeutig definiert ist. Nun ist es so, dass man sagt, dass ein Element wie z.B. Eisen ein sogenanntes d-Block Element ist. Das bedeutet, dass es eine nicht vollständig gefüllt d-Unterschale besitzt. Die äußeren Elektronen (d-Elektronen) werden also durch einen Zustand mit l=2 beschrieben. Analog bei Cer z.B. l=3. Jedoch hast du korrekt gesagt, dass das Cer-Atom auch s-, p- und d-Orbitale besitzt und diese jeweiligen Elektronen aus den unteren (voll besetzten Schalen) haben auch andere Werte für die Nebenquantenzahl.
Man kann schon einem Atom eine gesamte Drehimpulsquantenzahl zuordnen (in Termsymbolen), aber ich glaube das ist hier nicht gemeint.
Zuordnung der Magnetquantenzahl?
Was meinst du jetzt hiermit genau...also ein Element hat wieder nicht wirklich eine Quantenzahl. Sondern die Elektronen werden halt durch welche beschrieben. Das heißt, p-Elektronen können z.B. durch ml = -1, 0 oder 1 beschrieben werden und das bedeutet, in welchem genauen p-Orbital sie sich befinden (bzw. genauer: welches Orbital sie beschreibt): also px, py oder pz-Orbital (räumliche Ausrichtung).
Das ist kompliziert. Also man ordnet Lutetium meist den Lanthanoiden zu. Je nach Quelle muss entweder Lanthan (meist) oder Lutetium eigentlich ein d-Block Element sein. Das ist so eine Sache der Zuordnung. Wegen der gemeinsamen Eigenschaften zählt man aber eigentlich alle 15 Elemente in dieser Reihe zu den Lanthanoiden. Meist ist das ein Synonym für f-Block-Element, aber das ist alles nicht ganz so klar definiert.
Die Elektronenkonfigurationen sind aber tlw. ein bisschen komisch und kompliziert und verhalten sich nicht so schön, wie man das gerne im einfachen Modell hätte. Die Elektronenkonfigurationen der dreifach geladenen Kationen sind da regelmäßiger und daraus lässt sich klar erkennen, wie all diese Elemente in eine "Reihe" passen. Hier eine Tabelle:
http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/lanthanoide/lanthanoide.htm#3.1
Lutetium hat in der Gasphase als Atom tatsächlich eine komplett gefüllte f-Unterschale, aber noch ein einzelnen Elektron in einem d-Orbital. Man sagt wie gesagt trotzdem, dass es ein f-Element ist. Sage nicht "f-Zustand hat"...das sagt man so nicht und das wäre auch blödsinnig. Das gleiche hat man aber z.B. auch bei Kupfer. Kupfer ist ein klares d-Element...von allen Eigenschaften her. Außerdem passt auch das Cu^2+ und Cu^+ Kation perfekt in die Reihe. Trotzdem hat Cu streng genommen in der Gasphase die Elektronenkonfig. 3d^10 und 4s^1 .... Trotzdem ist es kein Alkalimetall.
Puhh, wie gesagt, ist bei einigen wenigen Elementen und gerade bei den sehr schweren "an den Grenzen" von bestimmten Blöcken nicht ganz einfach. Also nochmal: Das Element hat keinen f-Zustand....Ein Atom kann einen sogenannten F-Zustand haben, und das ist auch verwandt, aber ist etwas anderes (komplizierteres).
P.S.: Lutetium hat eine komplett gefüllte s-Unterschale: 6s^2 ...also das war nicht wahr was du geschrieben hast.
Danke schonmal für diese ausführliche Antwort. Mein Denkfehler war hier wohl, einem Element an sich die Quantenzahlen zuordnen zu wollen. Dennoch habe ich noch eine weitere Frage: Wieso wird z.B. Lutetium auch dem f-Zustand zugeordnet, obwohl es ein vollständig gefülltes f-Orbital in der N-Schale besitzt? Unvollständig gefüllt sind hier doch lediglich das d-Orbital in der O-Schale und das s-Orbital in der P-Schale.