Was genau sind die Orbitalen eines Atoms und was hat es mit s1, s2, p1...usw. auf sich?

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4 Antworten

Orbitale beziehen sich auf das Bohr-Sommerfeld-Modell: https://de.wikipedia.org/wiki/Bohr-sommerfeldsches_Atommodell

Danach kreisen die Elektronen um den Atomkern wie Planeten um die Sonne, auf Kreis- oder Ellipsenbahnen.

Die Hauptquantenzahl benennt die große Halbachse dieser Ellipsen bzw. die Energie der Elektronen - genau allerdings nur im Wasserstoffatom, in größeren Atomen schirmen die inneren Elektronen die äußeren ab.

Wie du offensichtlich schon weißt, ist die Hauptquantenzahl die Zahl am Anfang der Orbitalbezeichnung.

Die Nebenquantenzahl benennt den Bahndrehimpuls, also die Elliptizität der Bahn. Hier versagt das Modell ziemlich, weil bei Keplerellipsen die kreisförmigsten Bahnen den größten Drehimpuls haben, aber in den Atomen die symmetrischsten Orbitale den kleinsten Drehimpuls. Aber um sich anschaulich was vorzustellen ist das Bohr-Sommerfeld-Modell immer noch sehr gut geeignet.

Die Nebenquantenzahl wird mit den Buchstaben s, p, d, f, g, ... bezeichnet. (Wenn du wissen willst, wo die herkommen - das sind die Anfangsbuchstaben von Beizeichnungen aus der Spektroskopie, aber das führt zu weit aus dem Thema hinaus.)

Als nächstes haben wir die Magnetquantenzahl, die heißt so, weil man sie zuerst in Magnetfeldern bemerkt hat.

Weil ein Atom ein hochgradig quantenmechanisches System ist, können die Bahnen der Elektronen nicht jeden Winkel gegenüber einem äußeren Magnetfeld annehmen, sondern nur bestimmte. Ein kreisendes geladenes Teilchen stellt einen Ringstrom dar und damit einen kleinen Elektromagneten. Dieser Elektromagnet kann sich nun (fast) parallel zum äußeren Magnetfeld einstellen, etwas geneigt dazu, ..., quer dazu, ..., (fast) gegenparallel zum äußeren Magnetfeld. Insgesamt gibt es 2 * Nebenquantenzahl + 1 mögliche Einstellungen zum äußeren Magnetfeld.

Dann gibt es noch die Spinquantenzahl, die daher kommt, dass das Elektron selbst sich auch dreht und dadurch ein eigenes Magnetfeld hat. Dieses Magnetfeld kann sich nur parallel oder antiparallel zu einem äußeren Magnetfeld einstellen. Diese Einstellungen nennt man "auf(wärts)" und "ab(wärts)", gekennzeichnet durch einen Pfeil nach oben bzw. nach unten, wenn es zum Verständnis nötig ist.

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Zur Sache selbst hast du ja schon mehr oder weniger richtige Antworten erhalten.

Ich will noch mal auf die Schreibweisen eingehen. Denn da geht die Chemie mal wieder einen eher merkwürdigen Weg.

Ähnlich wie beim Index (der kleinen tiefgestellten Zahl in Formeln) gibt auch hier eine kleine Zahl die Anzahl an. Auch hier wird die Anzahl nachgestellt, und im Gegenzatz zum Index hochgestellt.

Das war jetzt zu hoch für dich? Klar, deshalb kommen Beispiele, zunächst aber die Ergänzung, dass die Schalennummer vorn geschrieben wid, als nochmale Zahl:

  • 2s ist also ein s-Orbital der 2 Schale, wenn du die Orbitale betrachtest, oder ein einzelnes Elektron im 2s-Orbital, wenn du die Elektronen betrachtest. Denn die hochgestellte kleine "1" lässt man einfach weg.
  • 2s² ist ein s-Orbital der 2. Schale, dass mit 2 Elektronen besetzt ist.
  • 1s² 2s² 2p³ ist die Elektronenkonfiguration eines Stickstoffatoms. Es enthält 2 Elektronen im 1s-Orbital, 2 Elektronen im 2s-Orbital und 3 Elektronen in den 3p-Orbitalen. Von den 3p-Orbitalen gibt es übrigens 3 Stück, und in der Regel ist jedes davon nur von einem Elektron belegt.

So viel erstmal. Bei den Hybridorbitalen wird dir diese Streibweise wieder begegnen, aber das hat wohl noch Zeit.

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Crushed00Ice 07.06.2016, 00:42

Worauf ist eigentlich diese irregelmäßige Schalenbelegung der Nebengruppenelemente zurückzuführen

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ThomasJNewton 07.06.2016, 16:51
@Crushed00Ice

Nicht alle Orbitale einer Schale sind gleich - außer natürlich in der 1., da gibt es nur ein Orbital.

Die verschiedenen Typen unterscheiden sich in ihrer Form, und auch in ihrer Energie.
Sie sind mit den bekannten Kürzeln s, p, d, f, g ... benannt. Du wirrst aber wohl nur mit den ersten drei Typen zu tun haben, anfänglich.

Und die Besetzzung folgt eben nicht irgendwelchen Vorschriften der Chemiker, sondern erfolgt in Reihenfolge der Energien.

Einen ersten Anhaltspunkt liefert https://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenkonfiguration#Auff.C3.BCllen_der_Schalen_nach_dem_Aufbauprinzip

Mal die Bilder in https://de.wikipedia.org/wiki/Atomorbital auf dich wirken zu lassen, ist auch nicht verkehrt.
Du wirst nicht alles verstehen, du solltest nur wissen, dass die Orbitale charakteristische Formen haben.

Und nach ein bisschen Forschung bist du dann vielleicht bereit für die nächste Frage, in solch alte schaut niemand mehr rein.

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Hallo.
Orbitale sind definitionsgemäß Lösungen der Schrödingergleichungen. 
Statt das Bohrsche Atommodell zu nutzen, nutzte man dieses Modell, da es genauer erklärt was im Atom vor sich geht. 
Die Schrödingergleichung nimmt Bezug auf die Heisenbergsche Unschärferelation, wodurch es nicht möglich sei, entweder Ort oder Geschwindigkeit eines so schnellen Teilchens wie des Elektrons genau zu bestimmen.
Daher sagt die Schrödingergleichung nur aus, dass ein bestimmtes Elektron die Wahrscheinlichkeit hat von 95% an einer bestimmten Stelle zu sein.
Orbitale sind quasi Räume in denen Elektronen eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit haben aufzutauchen.
s- und p-Orbitale sind nur ein Beispiel dafür, wie die Raumordnung des Orbitals ist (d.h. z.B. Hantelform).

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Hi,

Die Antwort von Katharsis ist richtig, ich möchte sie nur etwas umstellen:

Nach dem Rutherfordschen Goldfolienversuch war klar, daß ein Atom aus einem sehr kleinen, massiven Kern und viel freien Raum aus "nichts" besteht, in dem sich die Elektronen aufhalten.

Bohr berechnete für sein Atommodell den Abstand der Elektronen von Kern und kam zu den Schalen, d.h. die Elektronen umkreisen den Kern auf Kreisen/Ringen (wie die Planeten um die Sonne). Immer, wenn ein Ring "voll" ist, wird die nächste Schale angefangen. In der Schule kann man so viele Reaktionen beschreiben, die Wertigkeit der Atomsorten, Valenzelektronen und voll besetzte Schalen (chemisch nicht reaktive Elemente / Edelgaskonfiguration).

Dieses Modell ist sehr hilfreich, kann aber nicht 100%ig stimmen, da ein sich bewegendes, geladenes Teilchen (Elektron) ein Magnetfeld erzeugen müsste und daher die Atome nicht stabil wären. Die Elektronen werden daher nicht als Teilchen, sondern Welle gesehen (Dualismus Teilchen/Welle), die sich in bestimmten Räumen (Orbitalen) um den Kern aufhalten.Das Orbitalmodell unterteilt die Bohr´schen Schalen in Räume (Orbitale) um den Kern.

Die Orbitale werden mit s, p, d und f bezeichnet.

Jedes s-Orbital kann nur max. 2 Elektronen aufnehmen, jedes p-Orbital nur max. 6 Elektronen, jedes d-Orbital max 10 Elektronen.

Die erste Bohr´sche Schale hat nur ein s-Orbital: s1

Die zweite Bohrsche Schale hat ein s-Orbital und ein p-Orbital: s2 und p2

Die zweite Bohrsche Schale hat ein s-Orbital und ein p-Orbital: s2 und p2

Die dritte Bohrsche Schale hat ein s-Orbital, ein p-Orbital und ein d-Orbital: s3 und p3 und d3

Nur s- und p-Orbitale sind die Valenzelektronen (Oktettregel), aber alle Orbitale zusammen sind die früher gelernte Formel für die maximale Elektronenzahl = 2n hoch 2 je Schale.

Das Orbitalmodell unterteilt also die Bohr´schen Schalen (oder Kreise/Ringe) in Räume mit Kugelform (s-Orbital) oder Hantelform (p-Orbital) in denen sich die Elektronen aufhalten.

Das p-Orbital kann 6 Elektronen aufnehmen, so daß 3 "Hanteln" mit jeweils 2 Elektronen wie ein Kooordinatensystem in die 3 Raumrichtungen p(x), p(y) und p(z) zeigen. Später werdet ihr in der Schule daraus ableiten, wie der räumliche Bau von Molekülen ausseht. 

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ThomasJNewton 23.02.2016, 13:25

In deiner Antwort sind einige Fehler:

  • Eine neue Schale wird keineswegs erst dann "angefangen", wenn die alten "voll" sind. Wenn es so wäre, wäre die Chemie vielleicht einfacher, ganz sicher aber völlig anders.
  • Jedes Orbital kann max. 2 Elektronen aufnehmen. Bei den p-Orbitalen ist es nur so, dass es 3 davon gibt, ZUSAMMEN also 3 * 2 = 6.
  • DIe Schreibweise ist genau verkehrt herum. 2p³ bedeutet 3 Elektronen in den p-Orbitalen der 2. Schale.
  • Auch die d-Elektonen sind als Valenzelektronen zu bezeichnen, wenn die d-Orbitale an Bindungen beteiligt sind. Dazu muss man aber erst mal die Chemie der Übergangelemente kennen.

Nach mehr Fehlern habe ich keine Lust zu suchen.

Jedem können mal Fehler unterlaufen. Aber es geht nicht an, sich zu Themen zu äußern, die man nicht im Ansatz verstanden hat.
Gerade bei so grundlegenden und sensiblen Themen. Da kannst du jemanden mit einer falschen Antwort für Stunden oder Tage aufs falsche Gleis schicken. Im Extremfall verhaut dann ein Schüler einen Test oder verliert sogar die Freude an der Chemie.

Tut mir leid, dass ich das so deutlich sagen muss.

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DMS1993 23.02.2016, 20:15

Ich danke Ihnen sehr für Ihre Korrektur!
Vielleicht mögen Sie es mir noch einmal richtig erklären, wenn Sie Zeit und Lust haben?

Kann man es sich, um es zu verdeutlichen wie unsere Atmosphöre vorstellen? Also jetzt nur um es schematisch darzustellen?

Ich versuche es noch mal mit meinen Worten zu erklären und wäre über ein Feedback sehr dankbar!

Ein Atom besteht aus einem Atomkern und unterschiedlicher Menge an Schalen. Je nach dem um was für ein Atom es sich handelt, variiert die Anzahl dieser Schalen und die Besetzung dieser Schalen von Elektronen.
Zwischen den jeweiligen Schalen befindet sich nichts. In diesem nichts befindet sich allerdings zu 95% ein Raum (Orbitale) in der sich vermutlich die Elektronen aufhalten. (Richtig so?)

Wenn ich es soweit richtig verstanden habe und umschreiben könnte, habe ich schon mal die halbe Miete.
Ich kann aber noch immer nicht ganz nachvollziehen, womit es sich mit den unterschiedlichen Orbitalen auf sich hat (s p d f...)
Wie kann ich mir das anhand eines einfachen Beispiels vorstellen?

Und dann hätte ich dazu noch eine Frage.
Es heißt ja, dass sich in den jeweiligen Schalen unterschiedliche Orbitale befinden, in denen der Aufenthalt der einzelnen Elektronen vermutet zu 95% wird.
Ist es nicht aber widersprüchlich zu dem was man vorher lernt, nämlich, dass sich die Elektronen in unvorstellbarer Geschwindigkeit um den Atomkern bewegen? Wie kann man dann solch einen Raum (Orbitale) aus machen und definieren, wenn das alles doch so enorm dynamisch ist?

Ich wäre Ihnen sehr für Ihre Hilfe dankbar! :)

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cg1967 24.02.2016, 06:46
@DMS1993

Vielleicht hat ThomasJNewton Lust, es dir zu erklären, ich hab dazu keine. 1. Hier wird geduzt, ich empfinde ein Sie als Beleidigung (wenn es nicht einem erkennbar deutlich älterem Diskussionsteilnehmer gegenüber angewendet wird). 2. Du hast das Prinzip überhaupt nicht verstanden, erwartest aber eine über die Grundlagen weit hinausgehende Erklärung. 3. Du bist nicht in der Lage, die Grenzen deines Wissens zu erkennen. Wenn du diese nach außen schieben willst ist dies völlig in Ordnung, du solltest dabei aber keinen Quantensprung erwarten.

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