Einführung in die Chemie

Begriffe

• QuantisierungDer Prozess der Annäherung eines kontinuierlichen Signals durch eine Reihe von diskreten Symbolen oder ganzzahligen Werten.
• HäufigkeitDie Anzahl des Auftretens eines sich wiederholenden Ereignisses pro Zeiteinheit.

Energie von Elektronen in Atomorbitalen

Die zentrale Struktur eines Atoms ist der Kern, der Protonen und Neutronen enthält. Dieser Kern ist von Elektronen umgeben. Obwohl diese Elektronen alle die gleiche Ladung und die gleiche Masse haben, hat jedes Elektron in einem Atom eine unterschiedliche Menge an Energie. Die Elektronen mit der geringsten Energie befinden sich in der Nähe des Kerns, wo die Anziehungskraft des positiv geladenen Kerns am größten ist. Elektronen mit höherer Energie befinden sich in größerer Entfernung.

Energiequantisierung

Wenn die Energie eines Atoms erhöht wird (z. B. wenn ein Stoff erhitzt wird), erhöht sich auch die Energie der Elektronen im Inneren des Atoms, d. h. die Elektronen werden angeregt. Damit das angeregte Elektron wieder in seinen ursprünglichen Energie- oder Grundzustand zurückkehren kann, muss es Energie abgeben. Eine Möglichkeit, wie ein Elektron Energie freisetzen kann, ist die Abgabe von Licht. Jedes Element sendet beim Erhitzen Licht mit einer bestimmten Frequenz (oder Farbe) aus, die der Energie der elektronischen Anregung entspricht.

Es ist hilfreich, sich dies wie das Hinaufgehen einer Treppe vorzustellen. Wenn man den Fuß nicht genügend anhebt, stößt man gegen die Stufe und bleibt auf dem Boden stecken. Man muss den Fuß auf die Höhe der Stufe heben, um weiterzukommen. Das Gleiche gilt für Elektronen und die Energiemenge, die sie haben können. Diese Aufteilung der Elektronen in Energieeinheiten wird als Quantisierung der Energie bezeichnet, da ein Elektron in einem Atom nur eine bestimmte Energiemenge haben kann. Die Energie des Lichts, das freigesetzt wird, wenn ein Elektron von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres fällt, entspricht der Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus.

Elektronenschalen

Wir beginnen mit einer sehr einfachen Darstellung der Anordnung der Elektronen in einem Atom. Hier sind die Elektronen in Energieniveaus oder Schalen um den Atomkern angeordnet. Elektronen, die sich auf dem ersten Energieniveau (Energieniveau 1) befinden, sind dem Kern am nächsten und haben die niedrigste Energie. Elektronen, die weiter vom Kern entfernt sind, haben eine höhere Energie. Die Elektronenhülle eines Atoms kann 2n2 Elektronen beherbergen, wobei n das Energieniveau angibt. Die erste Schale kann zum Beispiel 2 x (1)2 oder 2 Elektronen aufnehmen. Die zweite Schale kann 2 x (2)2 oder 8 Elektronen aufnehmen.

Fluor (F) hat beispielsweise die Ordnungszahl 9, was bedeutet, dass ein neutrales Fluoratom 9 Elektronen hat. Die ersten 2 Elektronen befinden sich im ersten Energieniveau, die anderen 7 im zweiten Energieniveau.

Atomorbitale

Auch wenn Elektronen einfach so dargestellt werden können, dass sie den Kern in Ringen umkreisen, bewegen sie sich in Wirklichkeit auf viel komplizierteren Bahnen. Diese Bahnen werden als Atomorbitale oder Unterschalen bezeichnet. Es gibt verschiedene Orbitalformen – s, p, d und f -, aber wir werden uns im Folgenden hauptsächlich auf die s- und p-Orbitale konzentrieren. Das erste Energieniveau enthält nur ein s-Orbital, das zweite Energieniveau enthält ein s-Orbital und drei p-Orbitale, und das dritte Energieniveau enthält ein s-Orbital, drei p-Orbitale und fünf d-Orbitale. Innerhalb jedes Energieniveaus hat das s-Orbital eine niedrigere Energie als die p-Orbitale.

Ein Orbitaldiagramm hilft bei der Bestimmung der Elektronenkonfiguration eines Elements. Die Elektronenkonfiguration eines Elements ist die Anordnung der Elektronen in den Schalen. Es gibt einige Richtlinien, um diese Konfiguration zu ermitteln:

• Jedes Orbital kann nur zwei Elektronen aufnehmen. Elektronen, die zusammen in einem Orbital vorkommen, werden als Elektronenpaar bezeichnet.
• Ein Elektron wird immer versuchen, in das Orbital mit der niedrigsten Energie einzutreten.
• Ein Elektron kann ein Orbital alleine besetzen, aber es würde lieber ein Orbital mit niedrigerer Energie mit einem anderen Elektron besetzen, bevor es ein Orbital mit höherer Energie besetzt. Mit anderen Worten, innerhalb eines Energieniveaus werden Elektronen ein s-Orbital besetzen, bevor sie beginnen, p-Orbitale zu besetzen.
• Die s-Unterschale kann 2 Elektronen aufnehmen.
• Die p-Unterschalen können 6 Elektronen aufnehmen.

Elektronenkonfigurationen können verwendet werden, um chemische Eigenschaften sowohl in der anorganischen als auch in der organischen Chemie zu erklären. Sie wird auch verwendet, um Atomspektren zu interpretieren, die Methode, mit der die Energie des von Elementen und Verbindungen emittierten Lichts gemessen wird.