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Elektronenkonfiguration bestimmen und verstehen
Die Elektronenkonfiguration zeigt, wie die Elektronen eines Atoms oder Ions auf Schalen, Unterschalen und Orbitale verteilt sind. Bei einem neutralen Atom liefert die Ordnungszahl die Elektronenzahl. Dann besetzt du die Unterschalen in ihrer energetischen Reihenfolge.
Auf dieser Seite lernst du, die Schreibweise zu lesen, Konfigurationen neutraler Atome und einfacher Ionen zu bestimmen und die Edelgas-Kurzschreibweise zu nutzen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Die Schreibweise entschlüsseln
Was bedeutet zum Beispiel $2p^5$?
Elektronenkonfiguration
Die Elektronenkonfiguration beschreibt, welche Unterschalen mit wie vielen Elektronen besetzt sind.
In $2p^5$ steht
- die 2 für das zweite Energieniveau, also die Hauptquantenzahl,
- das p für die Orbitalart beziehungsweise Unterschale,
- die hochgestellte 5 für fünf Elektronen in dieser Unterschale.
Eine s-Unterschale besteht aus einem Orbital, eine p-Unterschale aus drei und eine d-Unterschale aus fünf Orbitalen. Da jedes Orbital höchstens zwei Elektronen enthält, passen höchstens zwei Elektronen in s, sechs in p und zehn in d.
Die Summe aller Exponenten ist die Zahl der notierten Elektronen. Bei einem neutralen Atom muss sie mit der Ordnungszahl übereinstimmen.
Orbitale richtig besetzen
Warum lautet die Reihenfolge nicht einfach erste Schale, zweite Schale, dritte Schale? Entscheidend ist die Energie der Unterschalen. Für die Beispiele auf dieser Seite brauchst du diese Auffüllreihenfolge:
$1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p$
Das Aufbauprinzip verlangt, dass zunächst die energetisch günstigeren freien Plätze besetzt werden. Darum wird $4s$ im einfachen Auffüllschema vor $3d$ notiert.
Zusätzlich gelten zwei Regeln:
- Pauli-Prinzip: In einem Orbital dürfen höchstens zwei Elektronen sein.
- Hundsche Regel: Gleichartige p- oder d-Orbitale werden zunächst einzeln besetzt, bevor Elektronen Paare bilden.
Sauerstoff besitzt acht Elektronen. Seine Konfiguration lautet
$$1s^2\,2s^2\,2p^4$$
Die Exponentensumme ist $2+2+4=8$. In der 2p-Unterschale verteilen sich die ersten drei Elektronen zunächst einzeln auf die drei p-Orbitale; erst das vierte bildet ein Paar.
Ein Orbital ist kein klassischer Weg, auf dem ein Elektron wie ein Planet kreist. Es beschreibt einen quantenmechanischen Aufenthaltsraum. Das Orbitalmodell macht daher genauere Aussagen als ein reines Schalenmodell.
Konfigurationen Schritt für Schritt bestimmen
Für ein neutrales Atom gehst du immer in derselben Reihenfolge vor:
- Lies die Ordnungszahl als Elektronenzahl ab.
- Fülle die Unterschalen in der angegebenen energetischen Reihenfolge.
- Beachte die Höchstzahlen s: 2, p: 6 und d: 10.
- Addiere am Ende alle Exponenten.
Fluor besitzt neun Elektronen.
- $1s$ nimmt zwei Elektronen auf: $1s^2$.
- $2s$ nimmt zwei weitere auf: $2s^2$.
- Für $2p$ bleiben fünf Elektronen: $2p^5$.
Damit lautet die Konfiguration
$$1s^2\,2s^2\,2p^5$$
Die Kontrolle $2+2+5=9$ stimmt mit der Elektronenzahl überein.
Silizium besitzt 14 Elektronen. Nach $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2$ sind zwölf Elektronen verteilt. Die zwei übrigen kommen in $3p$:
$$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^2$$
Die Kontrolle ergibt $2+2+6+2+2=14$.
Die Edelgasschreibweise nutzen
Lange innere Konfigurationen wiederholen sich. In der Edelgas-Kurzschreibweise ersetzt du alle Elektronen bis zum vorhergehenden Edelgas durch dessen Symbol in eckigen Klammern.
Calcium besitzt die vollständige Konfiguration
$$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2$$
Die ersten 18 Elektronen entsprechen Argon. Deshalb lautet die Kurzform
$$[Ar]\,4s^2$$
Die eckige Klammer steht also für einen vollständig mitgedachten inneren Elektronenbestand; sie ist kein zusätzlicher Rechenschritt.
Für Arsen ist die energetische beziehungsweise PSE-Abfolge
$$[Ar]\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3$$
Auch die Ordnung $[Ar]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^3$ nach Hauptquantenzahlen wird verwendet. Die Zahl der Elektronen bleibt gleich; nur die Anordnung der notierten Unterschalen ändert sich.
Ionen aus der Ladung ableiten
Die Ladung verrät, ob Elektronen fehlen oder hinzugekommen sind:
- Ein positiv geladenes Kation hat Elektronen abgegeben.
- Ein negativ geladenes Anion hat Elektronen aufgenommen.
Gehe zunächst vom neutralen Atom aus. Bei einer Ladung von $1+$ ziehst du ein Elektron ab; bei $1-$ fügst du eines hinzu.
Neutrales Chlor besitzt 17 Elektronen:
$$[Ne]\,3s^2\,3p^5$$
Das Chlorid-Ion $Cl^-$ hat ein Elektron aufgenommen und besitzt daher 18 Elektronen:
$$[Ne]\,3s^2\,3p^6=[Ar]$$
Neutrales Natrium besitzt elf Elektronen:
$$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$$
Das Natrium-Ion $Na^+$ hat das 3s-Elektron abgegeben. Es bleiben zehn Elektronen:
$$1s^2\,2s^2\,2p^6=[Ne]$$
Das Vorzeichen beschreibt die Ladung, nicht die Rechenrichtung: positiv bedeutet weniger Elektronen, negativ bedeutet mehr Elektronen.
Modelle, Grenzen und Ausnahmen einordnen
Das vereinfachte Schalen- oder Energiestufenmodell ist für erste Elektronenverteilungen nützlich. Die Aussage „höchstens acht Elektronen pro Energieniveau“ ist jedoch eine schulische Vereinfachung. Das Orbitalmodell unterscheidet s-, p- und d-Unterschalen und beschreibt dadurch mehr Strukturen.
Auch das einfache Auffüllschema hat Ausnahmen. Für Silber würde das Schema $[Kr]\,5s^2\,4d^9$ erwarten. Tatsächlich wird die Konfiguration als
$$[Kr]\,5s^1\,4d^{10}$$
angegeben. Eine vollständig besetzte 4d-Unterschale ist hier energetisch günstiger. Solche Ausnahmen solltest du nicht aus der bloßen Auffüllreihenfolge erraten, sondern als begründete Sonderfälle lernen, wenn sie in deinem Kurs behandelt werden.
Vier Quantenzahlen beschreiben im genaueren Modell Energiebereich, Form des Aufenthaltsraums, räumliche Orientierung und den Spin-Zustand. Vollständige Wellenfunktionen sind für das Bestimmen der hier behandelten Konfigurationen nicht nötig.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Elektronenkonfiguration
- lesen: Zahl, Orbitalart und Exponent unterscheiden
- aufbauen: energetische Reihenfolge, Pauli-Prinzip und Hundsche Regel beachten
- prüfen: Exponenten addieren und mit der Elektronenzahl vergleichen
- verkürzen: inneren Bestand durch das vorhergehende Edelgas ersetzen
- auf Ionen übertragen: bei positiver Ladung Elektronen abziehen, bei negativer hinzufügen
- einordnen: Schalenmodell vereinfachend, Orbitalmodell genauer, Ausnahmen möglich
Abschluss-Check
Wenn du alle drei Entscheidungen begründen kannst, kannst du Elektronenkonfigurationen nicht nur abschreiben, sondern aufbauen, prüfen und auf einfache Ionen übertragen.