Periodensystem der Elemente (PSE) Z = Ordnungszahl, von 1

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