P 134: Wir basteln das Periodensystem

 22.5 Aufbau des Periodensystems

Am Anfang war der Wasserstoff...so hieß vor über 50 Jahren ein populäres Buch von Hoimar v. Dithfurth.

Beim Urknall ist nur Wasserstoff (mit etwas Helium, Lithium und Beryllium)) entstanden. Der Rest der Elemente wurde erst in den Sternen produziert und durch Explosionen freigesetzt.

Genau das wird auch im Aufbau des Periodensystems widergespiegelt:

Wasserstoff: 

Kernladungszahl = Elektronenzahl Z = 1

Das Elektron ist im Grundzustand auf n=1 (K-Schale) im Zustand l=0 (s) mit Spin s=+1/2, d.h. j=1/2

Kopplung mit Protonenspin:

Elektron und Proton können den gleichen oder den entgegengesetzten Spin haben.

Bei entgegengesetztem Spin ist die Energie etwas geringer. Durch Stöße bei sehr geringen Temperaturen kann das ganze H-Atom so angeregt werden, dass das Elektron seinen Spin nach dem Proton ausrichtet und in ein geringfügig höheres Energieniveau geht.

Beim Übergang wird Radiostrahlung der Wellenlänge 21 cm abgestrahlt.

Aufgabe:

Zeige, dass die Energiedifferenz bei ca. 5,8 μeV liegt. 

Physik Uni Wuppertal

 Wasserstoffgas strahlt bei dieser Wellenlänge. Damit kann man wunderbar die Spiralstruktur unserer Galaxis (und anderer Galaxien) beobachten.

Das Bild (NRAO) zeigt die Wasserstoffwolken zweier wechselwirkender Galaxien.

Das soll das einzige Beispiel einer Wechselwirkung zwischen Atomkern und Elektron bleiben. Man spricht von der Hyperfeinstruktur der Niveaus.

Helium: Z=2

Das zweite Elektron kann mit entgegengesetztem Spin auf das gleiche Niveau.

Damit ist die K-Schale gefüllt.

Lithium: Z =3

Zwei Eelektronen passen in K, das dritte Elektron muss anfangen die L-Schale zu besetzen:

Es ist im s-Niveau (l=0).

Die Elektronenkonfiguration lautet:

Beryllium Z=4:

Die s Unterschale der L-Schale ist nun belegt. Wegen des Pauliprinzips müssen beide Elektronen entgegengesetzten Spin haben.

Das 4.Elektron fängt an die p-Unterschale zu besetzen.

Nach der Hundschen Regel werden erst alle p-Niveaus mit je einem Elektron besetzt, dann wird jeweils ein zweites Elektron mit entgegengesetztem Spin aufgefüllt.

So kommen wir über B, C, N, O, F zum Edelgas Neon.

Die 10 Elektronen des Ne bilden eine sehr symmetrische Gesamtwahrscheinlichkeitsverteilung:

Die s-Verteilungen sind eh kugelförmig, die p-Verteilungen ergänzen sich zu einer Kugelsymmetrie.

>>>siehe letzter Post 

Diese Symmetrie hat eine besonders tiefe Gesamtenergie: Neon ist ein Edelgas mit einer sehr geringen chemischen Aktivität.

Kalium Z=19:

Das reaktionsfreudige Kalium hat ein einzelnes Elektron auf 4s, das wegen der Symmetrie der inneren Elektronenverteilungen nur sehr locker gebunden ist. 

Wir merken: Die 3 d-Niveaus werden noch nicht besetzt, erst kommt 4 s.

Calzium Z = 20:

Das nächste Elektron kommt mit entgegengesetzem Spin auch in 4s.

Danach wird die bisherige Auffülltaktik  unterbrochen.

I. Nebengruppe:

Wegen der hohen Drehimpulse (Bahnabplattungen) der 3d - Niveaus liegt deren Energie günstiger als die der 4 p-Niveaus. Sie werden jetzt vor 4 p besetzt. Die Besetzung folgt ja von tieferen zu höheren Energiezuständen hin. Das sind genau 2*5 = 10 Elemente. Diese haben alle die beiden Außenelektronen des Ca, verhalten sich also chemisch sehr ähnlich. Man nennt sie die Elemente der I.Nebengruppe.

Das wiederholt sich noch einmal bei 4d  vor 5 p (II.Nebengruppe), bei 4 f (Seltene Erde, chemisch wie Lanthan) und 5 f (chemisch wie Actinium, deshalb Actiniden).

Da jeweils f-Zustände aufgefüllt werden, gibt es jeweils 14 Lanthaniden und 14 Actiniden. Mit den Actiniden sind wir schon bei den Trans-Uranen angekommen.

So, jetzt schauen wir noch einmal auf das Periodensystem. Das müsstet ihr jetzt besser verstehen können:

 Die folgende Abbildung aus Impulse Physik, Klett, hilft einen Überblick zu bekommen:

Hier sind die Unterschalen nach Energien geordnet, d.h. die Besetzung erfolgt von Element zu Element von unten nach oben:

 

 Eine alte Tabelle mit Elektronenkonfigurationen hat mir oft mehr geholfen als das Periodensystem: