Valenzelektronenkonfiguration bestimmen?
Hallo,
die normale Elektronenkonfiguration sowie die Valenzelektronenkonfiguration der Hauptgruppe Elemente ist ja klar. Aber wie sieht es bei der Valenzelektronenkonfiguration der Nebengruppenelemente aus?
Ich habe als Beispiel die von Chrom: 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1. Wie komme ich jetzt darauf, dass das die Konfiguration der Valenzelektronen ist?
Danke im Voraus;)
2 Antworten
Moin,
also (für Schulzwecke) vereinfacht gesagt, gibt es vier Regeln für die Besetzung von Atomorbitalen im Grundzustand:
- Die Energie-Regel: Orbitale von Atomen im Grundzustand (energieärmster Zustand) werden nach steigendem Energiegehalt von innen nach außen mit Elektronen besetzt.
- Die Hundsche Regel: Energiegleiche (entartete) Orbitale werden zunächst einfach mit Elektronen gleichen Spins besetzt.
- Das Pauli-Prinzip (Pauli-Verbot): Es gibt keine zwei Elektronen in einem Atom, die in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen.
- Die Regel der halb besetzten Orbitale: Sind unterschiedliche Energieniveaus einander ähnlich, so ist es (oft) günstiger, zwei halb besetzte oder ein voll besetztes plus ein halb besetztes Orbital zu haben als ein voll besetztes und ein „irgendwie” besetztes.
Ich glaube, diese letzte Regel war dir bisher nicht bekannt. Sie trifft auf dein Chromatom zu.
Das 4s-Energieniveau ist energetisch eigentlich etwas günstiger als das der 3d-Orbitale. Nach der Energie-Regel müsste man also erwarten, dass zunächst das 4s-Orbital doppelt mit Elektronen (unterschiedlichen Spins) besetzt wird. Aber das würde zu der Besetzung
4s^2 3d^4
führen. Dann wäre das 4s-Orbital voll besetzt, das 3d-Orbital aber nur „irgendwie” (also weder voll noch halb besetzt). Da nun aber das Energieniveau des 4s-Orbitals und das der 3d-Orbitale nicht allzu weit voneinander entfernt sind, ist es energetisch günstiger, ein Elektron aus dem 4s-Orbital in die 3d-Orbitale zu geben (dann alle mit dem gleichen Spin), weil dadurch zwei halb besetzte Orbitale resultieren (4s^1 und 3d^5).
Etwas ähnliches findest du dann wieder beim Kupfer. Im Kupferatom müsste die Besetzung
4s^2 3d^9
lauten, wenn es streng nach der Energie-Regel gehen würde, aber dann wäre das 4s-Orbital voll, die 3d-Orbitale hingegen „irgendwie” besetzt. Die Konfiguration
4s^1 3d^10
führt indes zu einem halb besetzten 4s-Orbital und zu voll besetzten 3d-Orbitalen. Das ist energetisch offenbar günstiger.
Soweit, so klar (für unkritische Geister). Aber ich will dir nicht verschweigen, dass es Besetzungen in Atomorbitalen gibt, zu denen einem (wie mir) dann auch nichts Schlaues mehr einfällt. Bei Niob (Nb) oder Technecium (Tc) könnte man vielleicht noch anbringen, dass deren Nb: ... 5s^1 4d^4 bzw. Tc: ... 5s^1 4d^6 bei den d-Orbitalen einer halben Besetzung nahe kommen (obwohl sie eigentlich in beiden Fällen „irgendwie” besetzt sind und daher streng genommen die Energie-Regel greifen müsste), aber dieses Argument kannst du spätestens beim Ruthenium (Ru) oder Rhenium (Rh) kaum noch bringen. Hier ist mir völlig unklar, warum die Besetzungen im Grundzustand Ru: ... 5s^1 4d^7 (und nicht 5s^2 4d^6) bzw. Rh: ... 5s^1 4d^8 (statt 5s^2 4d^7) lauten.
Bei Palladium (Pd) ist es dann 5s^0 4d^10, was ja noch angehen mag, wenn man sich vor Augen hält, dass die Energieniveaus 5s und 4d noch näher beieinander liegen als die zwischen 4s und 3d. Aber dann fragt man sich natürlich völlig verwirrt, warum die Grundzustandsbesetzung beim Platin (Pt) ... 6s^1 5d^9 ist (und nicht analog zum Palladium 6s^0 5d^10, zumal diese Energieniveaus noch näher beieinander liegen...)?!
Worauf ich hinaus will, ist, dass mit netten (Zusatz-)Regeln plausibel gemacht werden kann, warum bestimmte, von der Energie-Regel abweichende Besetzungen vorkommen, aber dass es vor allem bei den größeren Atomen ein „wildes Durcheinander” in der Besetzung der Atomorbitale gibt, die sich jeder Logik zu entziehen scheint.
Immerhin: Auf dein Beispiel Chrom kann man die Regel der halb besetzten Orbitale anwenden...
LG von der Waterkant
Ach so, ich habe dich nicht richtig verstanden...
Dass das die Valenzelektronen sind, hängt mit den Energieniveaus zusammen. Valenzelektronen sind ja die Elektronen in den äußeren (dem äußersten) Hauptenergieniveaus. Bei Chromatomen sind nun von innen nach außen folgende Orbitale mit Elektronen besetzt:
1s
2s 2p
3s 3p
4s
3d
Daher ist auf jeden Fall schon einmal klar, dass das 4s-Elektron zu den Valenzelektronen zählt (höchste Hauptquantenzahl). Da aber die 3d-Orbitale energetisch zwar höher, aber zu 4s doch so ähnlich sind, dass hier die Regel der halb besetzten Orbitale bereits greift, zählen auch die fünf 3d-Elektronen zu den Valenzelektronen. Insofern ist die Valenzelektronensituation bei Chromatomen 4s^1 3d^5.
Ansonsten verweise ich auf den ersten Satz in der Antwort von ThomasJNewton...
LG von der Waterkant
Beim Chrom spielen die 3s- und 3p-Elektronen nicht mehr mit. Sie bilden ja schon beim Argon eine praktisch unangreifbare Konfiguration, die Edelgaskonfiguration eben.
Deshalb kann man für Chrom einfach [Ar] 4s¹ 3d⁵ schreiben.
Inwiefern spielen sie nicht mehr mit. Das ist die Valenzelektronenkonfiguration vom Chrom, wären die nicht dabei, wäre die Konfiguration falsch.
Bzw. [AR] 4s1 3d5 ist die Elektronenkonfiguration von Chrom. Es geht aber um die Valenzelektronenkonfiguration und die ist eben 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1. Aber ich verstehe nach wie vor nicht, wie man darauf kommt. Woher weiß ich, dass genau das die Valenzelektronen sind?
Naja also allgemein sind Valenzelektronen ja die Elektronen in den äußersten Orbitalen.
Und dann gibt es die Elektronenkonfiguration und die Valenzelektronenkonfiguration.
Erstere kann man ja relativ einfach bestimmen, da muss man ja quasi nur abzählen. Aber bei letzterer weiß ich zumindest bei den Nebengruppenelemente nicht, wie man drauf kommt.
Valenz bedeutet Wertigkeit. Die bestimmt das chemische Verhalten. Klar benutzt man heute den Begriff Oxidationszahl und sind nicht alle Reaktionen Redoxrraktionen.
Der Begriff Valenzelektronen blieb aber erhalten, in dem Sinne, dass es die sind, die an chemischen Reaktionen beteiligt sind, "mitspielen" können.
Und mitspielen können, wie ich schrieb, die Elektronen der äußersten Schale und zusätzlich die d-Elektronen der zweitäußersten und die f-Elektronen der drittäußersten. Die d- bzw. f-Elektronen nur solange, bis sie (ggf. mit leichtem Sicherheitsabstand) voll gefüllt sind.
Ich verstehe es einfach nicht. Ich weiß nicht, wie man auf oben genannte Valenzelektronenkonfiguration kommt.
Vielleicht durch etwas mehr Sorgfalt und Aufnahmebereitschaft?
Oben wurden etliche genannt, von DedeM, von dir, von mir.
Na, du schreibst es doch selbst... Die Elektronen in den äußeren Orbitalen, das sind die Valenzelektronen. Und welches sind die äußeren Orbitale im Chromatom (oder in Atomen von anderen Nebengruppenelementen)? Eben! Das sind die (x)d-Orbitale UND die (x+1)s-Orbitale, mit x = 3, 4, 5 oder 6. Es sind NICHT die Elektronen in den (x)s- oder den (x)p-Orbitalen. Die gehören wie die Elektronen in den energetisch darunter liegenden Orbitalen zu den Rumpfelektronen.
Was fällt dir so schwer daran zu akzeptieren, dass die d-Elektronen und die s-Elektronen des nächst höheren Hauptenergieniveaus ZUSAMMEN die Valenzelektronen bilden?
Irgendwie habe ich den Eindruck, dass du einen Block hast und es einfach nicht verstehen willst...
OK das, was du jetzt geschrieben hast, habe ich dann doch verstanden.
Was ich aber dann nicht verstehe ist, wenn die Valenzelektronen aus dem (x) d Block und dem (x+1) s Block (mit x = 3 oder höher) sind, wieso gehört dann bei der Valenzelektronenkonfiguration von Chrom 3s^2 sowie 3p^6 dazu?
Müsste es dann nicht so sein, dass nur 3d^5 4s^1 die Valenzelektronenkonfiguration ist?
Ganz genau! Ich weiß ohnehin nicht, woher du die Information hast, dass die 3s^2- und 3p^6-Elektronen zu den Valenzelektronen dazu gehören sollen? Das tun sie nämlich nicht. Sie nehmen an chemischen Reaktionen genau so wenig teil, wie die 2s, 2p oder 1s-Elektronen. Die 3s- und 3p-Elektronen im Chromatom sind Rumpfelektronen!
Diese Musterlösung ist falsch. Wie gesagt, die Elektronen des 3s- und 3p-Niveaus nehmen nicht an chemischen Reaktionen oder am Aufbau von Chromverbindungen teil. Chrom hat sechs Valenzelektronen, nämlich das eine aus dem 4s- und die fünf aus den 3d-Orbitalen.
Schau dir die Chromverbindungen an. Da findest du Cr-II-, Cr-III-, Cr-IV-, Cr-V- und Cr-VI-Verbindungen, aber keine Cr-VII-, Cr-VIII- oder noch höhere Oxidationsstufen, die es aber geben sollte, wenn die 3s- oder zumindest die 3p-Elektronen zu den Valenzelektronen gehören würden, meinst du nicht.
Sobald man beim Feinbau der Elektronenhülle angelangt ist, muss man sich von den schönen klaren und einfachen Verhältnissen bei den Hauptgruppenelementen oder solchen Atommodellen wie dem Kugelwolkenmodell (oder gar dem Schalenmodell...) verabschieden. Die Energieniveaus der d- oder f-Unterschalen sind eben etwas Besonderes und gehören nur noch formal zu den jeweiligen Hauptenergieniveaus.
Fazit: Die Valenzelektronen (die in unterschiedlicher Häufigkeit und Stabilität an chemischen Reaktionen und den daraus resultierenden Verbindungen beteiligt sind) sind und und bleiben die sechs Elektronen im 4s- und 3d-Niveau. Darum hat ein Chromatom die Valenzelektronenkonfiguration 4s^1 3d^5 (und fertig!).
Bei den Übergangselementen zählen grundsätzlich die (2) s-Elektronen der äußersten Schale UND die (0-10) d-Elektronen der zweitäußersten Schale zu den Valenzelektronen.
Zwar ist die maximale Oxidationszahl auf 7, 8, bzw. 9 begrenzt, für Mangan, Ruthenium bzw. Iridium, aber das ist kein Argument. Sauerstoff hat auch 6 Valenzelektronen und die maximale OZ +2.
Spätestens in der Zinkgruppe sei der Spuk vorbei, dachte ich bis vor ca. einem Jahr. Aber es gibt wohl neuerdings Quecksilberverbindungen mit der OZ +4.
Chrom hat jedenfalls 6 Valenzelektronen und tritt auch gern mal sechswertig auf.
Hm das hat mir jetzt leider nicht wirklich weitergeholfen. Also ich verstehe jetzt trotzdem nicht, wie man darauf kommt.
Ja das mit den halbbesetzten Orbitalen kannte ich schon. Nur mir ist nicht klar, wie man darauf kommt, dass das die Valenzelektronenkonfiguration ist.
Die vollstendige Elektronenkonfiguration ist klar aber woher weiß ich, dass das, was ich oben aufgeschrieben habe die Valenzelektronenkonfiguration von Chrom ist?