periodensystem der elemente (pse) z = ordnungszahl, von 1
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1
1.0079
H
3
Li 6.941
19
39.098
K 23
50.942
V 27
58.933
Co
73
180.95
Ta 78
195.08
Pt 82
207.2
Pb
21
44.956
Sc 25
54.938
Mn 29
63.546
Cu 33
74.922
As
7
14.007 N
75
186.21
Re 80
200.59
Hg 84
208.98
Po* 55
132.91
Cs
4
9.0122 Be
20
40.078
Ca 24
51.996
Cr 28
58.693
Ni 32
72.61
Ge
6
12.011 C
74
183.84
W 79
196.97
Au 83
208.98
Bi
22
47.867
Ti 26
55.845
Fe
72
178.49
Hf 77
192.22
Ir
30
65.39
Zn 34
78.96
Se
8
15.999 O
76
190.23
Os 81
204.38
Tl 85
209.99
At* 86
222.02
Rn*
31
69.723
Ga
5
10.811 B
35
79.904
Br
9
18.998 F
36
83.80
Kr
10
20.180 Ne
2
4.0026
He
56
137.33
Ba
12
24.305
Mg
38
87.62
Sr 42
95.94
Mo 46
106.42
Pd 50
118.71
Sn
14
28.086
Si
106
263.12
Sg* 111
272
Eka-Au
112
Eka-Hg
40
91.224
Zr 44
101.07
Ru
104
261.11
Rf* 109
268
Mt*
48
112.41
Cd 52
127.60
Te
16
32.066
S
108
265
Hs*
49
114.82
In
13
26.982
Al
53
126.90
I
17
35.453
Cl
54
131.29
Xe
18
39.948
Ar
88
226.03
Ra*
11
22.990
Na
37
85.468
Rb 41
92.906
Nb 45
102.91
Rh
105
262.11
Db* 110
271
Eka-Pt
39
88.906
Y 43
98.906
Tc* 47
107.87
Ag 51
121.76
Sb
15
30.974
P
107
262.12
Bh* 87
223.02
Fr*
57
138.91
La 59
140.91
Pr 61
146.92
Pm* 63
151.97
Eu 65
158.93
Tb 67
164.93
Ho 69
168.93
Tm 71
174.97
Lu 58
140.12
Ce 60
144.24
Nd 62
150.36
Sm 64
157.25
Gd 66
162.50
Dy 68
167.26
Er 70
173.04
Yb
90
232.04
Th* 92
238.03
U* 94
244.06
Pu* 96
247.07
Cm* 98
251.08
Cf* 100
257.10
Fm* 102
259.10
No* 89
227.03
Ac* 91
231.04
Pa* 93
237.05
Np* 95
243.06
Am* 97
247.07
Bk* 99
252.08
Es* 101
258.10
Md* 103
260.11
Lr*
Periodensystem der Elemente (PSE)
Z = Ordnungszahl, von 1 bis 112 (hier)
woher kommen Zeilen und Spalten?
1
Atombau - Basics
2
Aufbau der Elektronenhülle ?
3
3 · 10 cm · s
Geschwindigkeit
c
10
-16.5 · 10 cm
Wellenlänge
-5
4.6 · 10 Schwingungen pro Sekunde
Frequenz
14
6.5 · 10 cm-5
rotes Licht
.
.
.
=
=
=
c
1~
Elektromagnetische Wellen
4
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Kosmische Strahlen
-Strahlen Röntgen- strahlen
Ultraviolett
WechselstromRadiow
ellen
MikrowellenInfrarot
sichtbaresLicht log [Hz]
log [Å] 1 10 100 1000 10 100 1000 104 1 10 100 1000110Femtometer Pikometer 1 10 1 10 100 110 110 1 10 100MillimeterMikrometer Meter Kilometer1100
25 24 23 22 2021 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Das elektromagnetische Spektrum
5
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Kosmische Strahlen
-Strahlen Röntgen- strahlen
Ultraviolett
WechselstromRadiow
ellen
MikrowellenInfrarot
sichtbaresLicht log [Hz]
log [Å] 1 10 100 1000 10 100 1000 104 1 10 100 1000110Femtometer Pikometer 1 10 1 10 100 110 110 1 10 100MillimeterMikrometer Meter Kilometer1100
25 24 23 22 2021 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Max Karl Ernst Ludwig Planck (geb. in Kiel, in Göttingen begraben)
E = h ·
Energie (z.B. Licht) wird nicht
kontinuierlich, sondern in winzigen
„Energieportionen“, den Quanten
(lat. quant = Menge), übertragen.
h ist eine Naturkonstante und wird
nach Planck als Plancksches
Wirkungsquantum bezeichnet. Es
besitzt den Wert
h = 6.63 ·10-34 Js.
Die Quantelung der Energie - Die Plancksche Gleichung
6
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Kosmische Strahlen
-Strahlen Röntgen- strahlen
Ultraviolett
WechselstromRadiow
ellen
MikrowellenInfrarot
sichtbaresLicht log [Hz]
log [Å] 1 10 100 1000 10 100 1000 104 1 10 100 1000110Femtometer Pikometer 1 10 1 10 100 110 110 1 10 100MillimeterMikrometer Meter Kilometer1100
25 24 23 22 2021 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Atomemission und Spektrallinien
Natrium
Wasserstoff 7
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Kosmische Strahlen
-Strahlen Röntgen- strahlen
Ultraviolett
WechselstromRadiow
ellen
MikrowellenInfrarot
sichtbaresLicht log [Hz]
log [Å] 1 10 100 1000 10 100 1000 104 1 10 100 1000110Femtometer Pikometer 1 10 1 10 100 110 110 1 10 100MillimeterMikrometer Meter Kilometer1100
25 24 23 22 2021 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Niels Bohr
Das Bohrsche Atommodell (1911)
8
• Elektronen bewegen sich im Atom nur auf wenigen
erlaubten Kreisbahnen. Diese Kreisbahnen entsprechen
bestimmten Energiezuständen der Elektronen.
• Ein Elektron auf einer erlaubten Kreisbahn strahlt nicht.
• Elektronische Übergänge finden nur zwischen den
unterschiedlichen Kreisbahnen durch Aufnahme oder
Abgabe von Energiequanten h · statt
(Frequenzbedingung)
E = E2 – E1 = h ·
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Kosmische Strahlen
-Strahlen Röntgen- strahlen
Ultraviolett
WechselstromRadiow
ellen
MikrowellenInfrarot
sichtbaresLicht log [Hz]
log [Å] 1 10 100 1000 10 100 1000 104 1 10 100 1000110Femtometer Pikometer 1 10 1 10 100 110 110 1 10 100MillimeterMikrometer Meter Kilometer1100
25 24 23 22 2021 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Das Bohrsche Atommodell - Die Postulate
9
Das Bohrsche Atommodell
10
Das Bohrsche Atommodell
11
Das Bohrsche Atommodell
12
Exkurs: Röntgenstrahlen in der Medizin
13
Erklärung mit Hilfe der Quantenmechanik
„Strahlungskatastrophe“
Stabile Atome - Ein Paradoxon der klassischen Physik
• Werden Ladungen in elektrischen Feldern beschleunigt entsteht
elektromagnetische Strahlung (Maxwellsches Durchflutungsgesetz ).
• kreisendes Elektron verliert Energie in Form von Strahlung
• Atom kollabiert
+ +
14
Wenn sich elektromagnetische Wellen
bei bestimmten Experimenten wie ein
Teilchenstrom verhalten, so sollten
umgekehrt Materieteilchen unter
bestimmten Bedingungen auch einen
Wellencharakter zeigen.
Louis Victor Pierre Raymond Prinz von de Broglie
vm
h
hp
Wellenlänge und Impuls können
ineinander umgerechnet werden
Materiewellen (de Broglie-Gleichung)
Wellen-Teilchen Dualismus
15
• Orbitale sind Bereiche, in denen ein Elektron eine
bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeit besitzt.
• Orbitale stellen erlaubte Energiezustände der Elektronen
dar.
• Die räumliche Ausdehnung und Gestalt der Orbitale ergibt
sich aus den Lösungsfunktionen der Schrödinger-
gleichung Quantenmechanik.
• Lösungsfunktionen enthalten zwei Anteile:
Radialfunktion (räumliche Ausdehnung)
Winkelfunktion (Gestalt)
Aufbau der Elektronenhülle: Was sind Orbitale ?
16
x
y
z
x
y
z
90% der Elektronendichte
1s-Orbital
2s-Orbital90%
50%
+
+
–
Wie werden Orbitale dargestellt ? Winkelfunktion
17
Orbitale - Wahrscheinlichkeitsdichte
18
Atomorbitale und Quantenzahlen
Die Quantenzahlen legen Größe, Gestalt und räumliche Orientierung
der Atomorbitale, sowie die Energie der in den jeweiligen Orbitalen
anzutreffenden Elektronen fest.
1) Hauptquantenzahl n n =1, 2, 3, ...
Bestimmt die mittlere Entfernung des Elektrons zum Kern und somit auch
dessen Energie. Die Energie der Elektronen nimmt mit steigender
Hauptquantenzahl zu.
2) Bahndrehimpulsquantenzahl l l = 0, 1, ..., n-1
Bestimmt die Gestalt der Orbitale.
3) magnetische Quantenzahl ml ml =-l, -l+1,..., +l
Bestimmt die Orientierung der Orbitale im Raum.
Es gibt 2l+1 Anordnungsmöglichkeiten. 19
Quantenzahlen
n Schale l Orbitalname ml Anzahl
1 K 0 1s 0 1
2 L 0 2s 0 1
1 2p -1, 0, 1 3
3 M 0 3s 0 1
1 3p -1, 0, 1 3
2 3d -2, -1, 0, 1, 2 5
4 N 0 4s 0 1
1 4p -1, 0, 1 3
2 4d -2, -1, 0, 1, 2 5
3 4f -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 7
20
1s
2s
3s 3p 3d
2pEn
erg
ie
Orbitalenergieniveau-Schema eines
Einelektronensystems, H-Atom
21
x
y
z
s
n = 1
l = 0
m = 0
s
n = 2
l = 0
m = 0
x
y
z
Gestalt von s-Orbitalen (l = 0)
22
x x
y y
z z
x
y
z
px py pz
n = 2 n = 2 n = 2
l = 1 l = 1 l = 1
m = ±1 m = ±1 m = 0
Gestalt von p-Orbitalen (l = 1)
23
dz2
n = 3
l = 2
m = 0
y
z
dx -y2 2
n = 3
l = 2
m = ±2 x
y
z
dxz
n = 3
l = 2
m = ±1
dyz
n = 3
l = 2
m = ±1
xy
z
x
x
y
z
dxy
n = 3
l = 2
m = ±2
x
y
z
Gestalt von d-Orbitalen (l = 2)
24
Der Stern-Gerlach Versuch
25
m = +½s
m = -½s
z z
Der Elektronenspin
Orientierung des mag. Moments des Elektrons im Orbital 26
Orbitalmodell der Atome
• Ein Zustand für ein Elektron wird durch alle 4 QZ festgelegt.
• Ein Orbital ist durch n, l und ml bestimmt.
1) Hauptquantenzahl n n =1, 2, 3, ...
mittlere Ausdehnung und Energie
2) Bahndrehimpulsquantenzahl l l = 0, 1, ..., n-1
Gestalt der Orbitale.
3) magnetische Quantenzahl ml ml =-l, -l+1,..., +l Orientierung der Orbitale im Raum. (2l+1-Werte)
4) Spinquantenzahl ms ms = -1/2, +1/2 Orientierung des mag. Moments des Elektrons im Orbital.
27
2s
3s
4s
5s
6s
7s
3d
4d
4f
5f
5d
6d
3p
4p
5p
6p
7p
2p
En
er g
i e
1s
Energieniveauschema eines Mehrelektronensystems
28
Merkschema zu Energieniveaus
29
Alle Elektronen eines Atoms
müssen sich in mindestens
einer Quantenzahl unter-
scheiden
Wolfgang Pauli
Das Pauli-Prinzip (1925)
30
1s1 1s1
H1s2 1s2
He
Li1s21s2 2s1
Elektronenpaar
Hauptquantenzahl 1 2 3 4 5 6 7
Maximale Elektronenzahl 2 8 18 32 50 72 98
Jede Elektronenschale kann
2 · n2 Elektronen aufnehmen
Elektronenkonfiguration von Mehrelektronensystemen
Elektronenkonfiguration
31
Be1s2 2s21s2
1s2 2s21s2 2p1
B
1s2
1s2
2s2
2s2
2p2C?
?
Elektronenkonfiguration von Mehrelektronensystemen
32
Friedrich Hund
Alle entarteten Orbitale (also
Orbitale mit gleicher Energie)
werden zunächst einfach mit
Elektronen gleichgerichteten
Spins besetzt.
Die Hundsche Regel (Regel der höchsten Multiplizität)
33
N1s2 2s21s2 2p3
1s2 2s21s2 2p4
O
F1s2 2s21s2 2p5
Ne1s2 2s2 2p61s2
Eine vollständig mit
Elektronen besetzte
Elektronenschale ist
energetisch beson-
ders stabil.
Helium und Neon
sind daher
reaktionsträge
Edelgase.
Elektronenkonfiguration in Mehrelektronensystemen
34
Vollständig mit Elektronen besetzte Elektronenschalen können für eine
kürzere Schreibweise durch das in eckige Klammer gesetzte
Elementsymbol des entsprechenden Edelgases dargestellt werden.
1s2 3s12s2 2p6
Na
[Ne]
[Ne]3s1
Elektronenkonfiguration in Mehrelektronensystemen
Valenzelektronenkonfiguration
35
Valenzelektronen
Für die chemischen Reaktivität eines Elements sind
besonders die Elektronen auf Energieniveaus oberhalb der
letzten voll besetzten Elektronenschalen verantwortlich. Sie
werden Valenzelektronen genannt
36
Elektronenkonfiguration in Mehrelektronensystemen
37
Das Periodensystem der Elemente
38
Na Mg
11 12
K Ca
19 20
Rb Sr
37 38
Cs Eu TaPr Ho IrLa Tb RePm LuTm AuBa Gd WNd Er PtCe Dy OsSm HfYb Hg
55 63 7359 67 7757 65 7561 7169 7956 64 7460 68 7858 66 7662 7270 80
Fr Am _ _ _Eka-Au
Eka-Hg
Pa EsAc BkNp LrMdRa CmU FmTh CfPu _ _Db Bh MtRf Sg Hs _Eka-Pt
No
87 95 105 114111 11211091 9989 9793 103 108 117101 106 11588 9692 10090 9894 104 113109 118102 107 116
H He
1 2
Li Be
3 4
s1 s2
Al Si P S Cl Ar
13 14 15 16 17 18
Ga Ge As Se Br Kr
31 32 33 34 35 36
In Sn Sb Te I Xe
49 50 51 52 53 54
Tl Pb Bi Po Rn
81 82 83 84 86
B C N O F Ne
5 6 7 8 9 10
p1 p2 p3 p4 p6p5
V CoMnSc CuCr NiFeTi Zn
23 272521 2924 282622 30
Nb RhTcY AgMo PdRuZr Cd
41 454339 4742 464440 48
d1
f1
d2
f2
d3
f3
d7
f7 f11
d4
f4
d8
f8 f12
d6
f6
d10
f10 f14
d5
f5
d9
f9 f13
1
2
3
4
5
6
7
At
85
f-Orbitale
d-Orbitale
p-Orbitale
s-Orbitale
f-Block p-Blockd-Blocks-Block
Das Periodensystem der Elemente
39
Wichtige Begriffe:
Rutherfordsches Atommodell
Bohrsches Atommodell (Postulate)
Quantelung der Energie, Welle-Teilchen-Dualismus
Orbitale, Quantenzahlen, Orbitalenergieniveauschema
Aufbauprinzip, Pauli-Prinzip, Hundsche Regel
Elektronenkonfiguration
Valenzelektronenkonfiguration
s- / p- / d- /f- Block im PSE
40
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