Warum nehmen die Atomdurchmesser innerhalb einer Gruppe von oben nach unten zu und warum innerhalb einer Periode von links nach rechts ab?
2 Antworten
Das ist wirklich nicht leicht zu beantworten.
Nach dem Schalenmodell hätte z. B. Lithium seine 1s²-Elektronen ziemlich dicht am Kern, jedenfalls deutlich näher als die Bahn des Wasserstoff-Atoms. Damit müsste das Valenz-Elektron des Lithiums einen einfach positiv geladenen Kern "sehen", der zwar etwas ausgedehnter ist als der Wasserstoff-Kern, aber das spielt für Bahnen in konstantem Abstand überhaupt keine Rolle.
Innerhalb einer Periode würden die Elektronen zwar eine von links nach rechts zunehmende Zentralladung sehen, sich aber gegenseitig innerhalb ihrer Schale abstoßen - zwei Effekte, die sich gegenseitig zumindest teilweise aufheben. Ob sie sich exakt aufheben oder ob einer von ihnen überwiegt (und welcher von ihnen), erfordert Nachrechnen. Wie man an Wasserstoff und Helium sieht, überwiegt offensichtlich derjenige Effekt, der die Bahnen verkleinert, deutlich
Innerhalb einer Periode hilft ein wenig Sommerfelds Erweiterung von Bohrs Modell, wonach die Elektronen sich nicht nur auf Kreisbahnen, sondern auch auf Ellipsenbahnen bewegen können. Damit "tauchen" die äußeren Elektronen auf einem Teil ihrer Bahn in die Bahnen der inneren Elektronen ein, wodurch sie weniger stark von der Kernladung abgeschirmt werden und kleinere Bahn-Halbachsen bekommen (und auch die inneren Elektronen ihrerseits etwas abschirmen, sodass diese Bahnen bekommen, die etwas ausgedehnter sind).
Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender Kernladung, sodass wir jetzt zwei Effekte haben, die von links nach rechts die Radien schrumpfen lassen, aber nur einen, der sie wachsen lässt.
Für die Expansion von oben nach unten innerhalb einer Gruppe ist das natürlich äußerst kontraproduktiv.
Hier braucht man dann wirklich quantenmechanische Berechnungen, die erklären, warum ein 2s-"Orbital" so viel ausgedehnter ist als ein 1s-"Orbital". (Ungefähr dort, wo die 1s-Elektronenwolke ihre größte Dichte hat, hat die 2s-Elektronenwolke eine "Knotenfläche", wo sich die Elektronen überhaupt nicht aufhalten können; sie müssen also entweder weiter innen oder weiter außen sein, was sie dann ungefähr gleich häufig tun.)
Fazit: Die Frage lässt sich letztlich erst mit quantentheoretischen Methoden beantworten.
Die Kernladungen und damit die Coulombschen Kräfte zwischen Kern und Elektronen nehmen von links nach rechts zu. Und mit jeder Periode kommen neue "Bahnen" für die Elektronen hinzu und beanspruchen mehr Raum.
Diese "Bahnen" werden oft auch "Schalen" genant. Jede dieser "Schalen" kann nur eine begrenzte Anzahl an Elektronen aufnehmen, bevor sie voll ist. Das nächste Elektron muß dann in die nächsthöhere "Schale" eingeordnet werden. Dieser Übergang findet zwischen Helium (=Schale voll) und Lithium (=erstes Elektron in neuer Schale) erstmals statt.
Nach dem Bohrschen Atommodell wären das dann die Schalen und nach dem etwas moderneren Modell die Orbitale, also Räume mit hoher Wahrscheinlichkeitsdichte dort Elektronen anzutreffen.
Was genau meinen Sie mit "Bahnen"?