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Das Orbitalmodell - Einführung

Die bisherigen Atommodelle wurden durch verschiedene Experimente und Beobachtungen entwickelt - nach dem Rutherfordschen Atommodell besteht ein Atom aus einem positiv geladenen Kern, in dem nahezu die komplette Masse konzentriert ist, und einer voluminösen Atomhülle, in der kleine Elektronen herumschwirren. Die Weiterentwicklung dieses Modells stellt das Bohrsche Atommodell dar - hier kreisen die Elektronen nicht mehr "irgendwie" um den Kern, sondern auf festen Bahnen bzw. diskreten Energieniveaus. Mit dieser erweiterten Vorstellung lässt sich dann zB. die Atomgröße einschätzen oder auch die Emission von Strahlung beim Übergang eines Elektrons vom angeregten in den Grundzustand erklären (vgl. zB. Röntgenstrahlung). Zu beiden Modellen gibt es hier auf alteso.de entsprechende Videos.

 

Eine große Schwäche der bisherigen Modelle:

Während die Bildung von Ionen durch die Auffüllung oder Entleerung der Schalen (Bohr) zum Erreichen der Edelgaskonfiguration noch nachvollziehbar ist, können definitiv keine kovalenten bzw. Atombindungen erklärt werden. Bei dieser Art der Bindung werden Elektronen (=Bindungsgelektronenpaar) zwischen Bindungspartnern geteilt und damit dies überhaupt möglich ist, dürfen die Elektronen eben nicht "irgendwie" oder  "auf einem festen Radius" um den Kern kreisen, sondern sie müssen sich in relativ klar definierten Bereichen aufhalten - in Orbitalen. Diese Orbitale sind Lösungen der Schrödingergleichung, grob vereinfacht eine mathematische/ quantenphysikalische Betrachtung einer Wellenfunktion, und stellen Bereiche mit 90%iger Aufenthaltswahrscheinlichkeit dar.

 

Wie genau das gemeint ist, wird dir in den folgenden Videos erläutert.

Auch wenn es erst einmal nach schwerer Kost klingt - zum Verstehen, was ein Orbital ist und wieso man damit eben Bindungen erklären kann etc., ist es NICHT notwendig ein Experte der Quantenphysik zu sein oder die mathematischen Hintergründe komplett zu beherrschen. Ich habe mich auch bemüht, den Einstieg möglichst schonend anzugehen, weitere vertiefende Videos sind natürlich möglich sofern Interesse besteht.

 

Zu diesem Thema gibt es, neben den wie üblich am Ende verlinkten vertiefenden Videos, 2 Einführungsvideos. Eines stammt aus den Anfangstagen, eines wurde mit besserer Technik und mehr Video-Erklär-Erfahrung erneut verfilmt. Da beide Videos nicht komplett identisch sind, biete ich sie hier auch beide an - melde dich gern per Kommentar und schreib mir, welches Video dir wieso, weshalb, warum besser gefällt oder hilft.

 


Videos

die neue Version:

 

Direktlink zum Video auf Youtube

 

Zusammenfassung in Textform (mit Zeitangaben)

Das Orbitalmodell – Einführung (neue Version)

 

1. Wiederholung: Bohrsches Atommodell, Schrödingergleichung, Heisenbergsche Unschärferelation (0:00)

 

Nach Niels Bohr sind Elektronen negativ geladene Teilchen, die auf vorgegebenen Kreisbahnen, den Schalen, um den Atomkern kreisen. Dies würde bedeuten, dass man jederzeit den Aufenthaltsort und die Geschwindigkeit des Elektrons bestimmen können müsste. Da Elektronen aber eine sehr geringe Masse haben und ihre Geschwindigkeit ausserdem sehr hoch ist, haben sie auch Welleneigenschaften, und man kann eben nicht gleichzeitig ihren Ort und ihre Geschwindigkeit bestimmen. Dieses Gesetz heißt die Heisenbergsche Unschärferelation. Die Beschreibung der Elektronen als Teilchen oder als Welle, je nachdem welche Eigenschaften man betrachtet, heißt Welle-Teilchen-Dualismus (de-Broglie-Beziehung).

 

Erwin Schrödinger betrachtete das Elektron als Welle und erstellte eine Differentialgleichung, die Schrödingergleichung, mit der man ausrechnen kann, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich ein Elektron in einer bestimmten Entfernung vom Atomkern befindet.

 

2. Diagramm der Elektronenaufenthaltswahrscheinlichkeit im Wasserstoffatom (1:41)

 

Die x-Achse bildet den Abstand des Elektrons zum Atomkern ab, der sich im Ursprung des Koordinatensystems befindet. An der y-Achse wird die Aufenthaltswahrscheinlichkeit aufgetragen, sie ist das Quadrat der Lösung der Schrödingergleichung: ψ2 (=“psi quadrat“)

 

Das Wasserstoffatom enthält ein Proton im Kern und daher auch nur ein Elektron, das darum kreist. Das Diagramm der Aufenthaltswahrscheinlichkeit dieses Elektrons sieht aus wie eine e-Funktion. Das bedeutet, die Wahrscheinlichkeit, das Elektron anzutreffen, wird immer kleiner, je mehr ich mich vom Kern entferne bzw. umgekehrt: das Elektron hält sich mit großer Wahrscheinlichkeit in der Nähe des Kerns auf.

 

3. Orbitale (3:50)

 

Ein Orbital ist nun ein dreidimensionaler Raum, in dem sich ein Elektron mit 90%iger Wahrscheinlichkeit befindet. 90 % sind willkürlich gewählt. Da die Wahrscheinlichkeiten wie beim vorhergehenden Diagramm zu sehen ist, nie Null werden, dh. man theoretisch einen unendlich großen Abstand zum Atomkern betrachten müsste, ist es praktisch, hier eine Grenze zu setzen.

 

Das Diagramm für das Orbital ist das dreidimensionale Koordinatensystem mit x-, y- und z-Achse. Trägt man nun den Atomkern in den Ursprung ein und bedenkt, dass sich (wie im Diagramm 1 gezeigt), das Elektron besonders wahrscheinlich in Nähe des Kerns aufhält, so ergibt sich eine Kugel um den Atomkern, in dem sich das Wasserstoffatom mit 90%iger Wahrscheinlichkeit aufhält. Diese Kugel ist das 1-s-Orbital (6:17).


Es heißt 1-s, da sich die Elektronen des 1-s-Energieniveaus mit 90%iger Wahrscheinlichkeit darin aufhalten (siehe Video zur Elektronenkonfiguration).

Alle s-Orbitale (es gibt auch 2-s, 3-s, 4-s bis 8s-Orbitale) sind kugelsymmetrisch um den Atomkern.

 

p-Orbitale (8:18)


Die Schrödingergleichung für Elektronen z.B. auf einem der drei 2-p-Energienivaus ergeben drei hantelförmige Orbitale. Sie liegen auf den Achsen des dreidimensionalen Koordinatensystems  und heißen nach den Achsen px-, py- und pz-Orbital. So haben die Elektronen, die sich hier aufhalten, den größtmöglichen Abstand voneinander. Ihr Lösung der Schrödingergleichung  ergibt eine Wellenfunktion, die die x-Achse im Kern schneidet, ähnlich einer Sinus-Funktion die nach einem Schnittpunkt mit der x-Achse logarithmisch „ausläuft“. Damit geht die Aufenthaltswahrscheinlichkeit in Kernnähe gegen 0, aufgrund der Quadrierung der Funktion ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist sie auf beiden Hantelseiten gleich groß . Um zu verdeutlichen, dass die Wellenfunktion des Elektrons verschiedene Vorzeichen haben kann, schraffiert man immer eine Hälfte des Orbitals dunkel.

 

4. Ausblick (12:29)

 

Es gibt noch weitere Orbitalformen für die weiteren Energieniveaus: d-Orbitale für die d-Niveaus (jeweils fünf Stück) die bei den Übergangsmetallen besetzt werden und f-Orbitale für die f-Niveaus (jeweils 7 Stück), die bei den Lanthanoiden und Actinoiden besetzt werden.

 

und hier die alte Version:

Das Video wird zwar gegen Ende ein wenig konfus - als Basis bzw. Diskussionsgrundlage sollte es aber erstmal genügen - Achtung, bei 6:05 muss es natürlich Neon statt Argon heißen! Falls manche Sachen schwer zu lesen sind, versuchts mal mit dem Vollbild-Modus, ansonsten les ich das ja eigentlich auch immer noch mal vor.

Direktlink zum Video auf Youtube

 


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Weiterführende Videos

 

 

 

Diskussion

Kommentare   

 
0 # #Molekülorbital theorie Teil 4Jaana Johann 2015-02-11 22:19
Hallöchen!
Erst mal ein riesen Lob an deine Videos, die helfen mir für meine Klausur sehr viel weiter!

Nur habe ich eine Frage zur Besetzung der AO im Energienivaudia gramm.. im Video Teil 4 wird erst das Beispiel zur kovalenten Bindung von N2 gezeigt, habe alles verstanden =)

Wenn es um die Bindungen von C, O und F geht, werden die Valenzelektrone n erst ab der 2. Periode aufgeschrieben. . warum hier nicht mehr das 1-s-Orbital berücksichtigt? Dementsprechend verschiebt sich bei mir die Aufteilung.. wäre für eine Antwort sehr dankbar!! :-)
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0 # RE: #Molekülorbital theorie Teil 4Alex 2015-02-11 22:36
Valenzelektrone n sind immer nur die der äußersten Schale, alles darunter ist "irrelevant". Also voll besetzt und nicht weiter von Interesse.

Generell gilt also: Werden nur höhere Perioden betrachtet, sind die darunter automatisch vollständig gefüllt.

Grüße,

alex
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0 # RE: #Molekülorbital theorie Teil 4Jaana 2015-02-11 22:39
Super! Danke für die schnelle Antwort!! :lol:
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+2 # Molekülorbitalt heorie Teil 4Matthias Häffner 2015-02-07 12:44
Hey:)
Ich bin gerade fleißig am lernen für die Klausur, was mit deinen viedeos echt super ist, nur ha ich jetzt eine frage, was ich meinte in der Vorlesung verstanden zu haben, du aber an einer stelle anders wiedergibst, bei dem video "Molekülorbital theorie Teil 4" , wenn du die molekülorbitale von N2 erklärst, müssten sich die elektronen auf den 2p orbitalen nicht verteilen?
das is so das einzige, was ich nicht so ganz verstanden hab, anonsten gibts nichts geileres als die videos!:D
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0 # RE: Molekülorbitalt heorie Teil 4Cornelius 2015-02-09 16:19
zitiere Matthias Häffner:

müssten sich die elektronen auf den 2p orbitalen nicht verteilen?

Genau das habe ich mir gerade auch gedacht, ich denke, es ist ein Fehler. Aber wieso gibt es das Video hier gar nicht mehr sondern nur noch bei Youtube?
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0 # RE: Molekülorbitalt heorie Teil 4Alex 2015-02-11 22:34
Das gabs hier noch nie, da die Zeit fehlte..

Ich kümmere mich um den Fehler.

Grüße,

alex
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0 # Konfiguration der s-OrbitaleMirja 2015-01-04 18:16
Hallo Alex,

ich kann verstehen, dass das 1s-Orbital im Gegensatz zu den 2p-Orbitalen kugelsymmetrisc h ist, auch wenn es mit zwei Elektronen besetzt ist, da es sich schließlich näher am Kern befindet.
Warum ist jedoch das 2s-Orbital (und das 3s-Orbital usw.) ebenfalls kugelsymmetrisc h? Warum nehmen die nicht genauso eine Hantelform an wie die 2p-Orbitale, wo sie doch durch die innere(n) Schale(n) von der Kernladung abgeschirmt werden? Oder muss man sich das so vorstellen, dass das 2s-Orbital innerhalb der zweiten Schale näher am Kern ist als die 2p-Orbitale?
Oder darf man nach dem Orbitalmodell gar nicht mehr richtig in Schalen denken und auch die 2s-Orbitale können sich direkt am Kern aufhalten?

Ich freu mich auf eine Antwort und vielen Dank auf jeden Fall für deine Seite und all die Videos! Schöne Erklärungen, schöne Visualisierunge n und gute Informationspor tionen :).

Grüße,
Mirja
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+1 # RE: Orbitalmodell - EinführungStephan 2014-04-27 02:48
Hi :) sehr verständliches Video, jedoch ist die Aufenthaltswahr scheinlichkeit das Quadrat vom Betrag von Psi...
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0 # RE: Orbitalmodell - EinführungAlex 2014-04-27 08:45
sage ich irgendwo etwas anderes?

Wäre nett, wenn du mir sagst, wo. Sind ja 2 Videos und insgesamt 23 Minuten, hab auf die Schnelle nix Widersprüchlich es gefunden.

Danke und Grüße,

alex
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0 # RE: Orbitalmodell - EinführungTom 2014-06-28 16:55
Psi Betrag Quadrat ist die Aufenthaltswahr scheinlichkeits dichte, ein kleiner Unterschied ;)
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0 # RE: Orbitalmodell - EinführungAlex 2013-12-15 18:41
Hallo Jürgen,

ja, das ist etwas unsauber - ich habe das hier im Sinne der Ionisierbarkeit betrachtet und mit energetisch höherliegend gemeint, dass mehr Energie aufgewendet werden muss, um "dort was zu bewegen". Das es also stabiler ist, wie du ja sagst.

Tatsächlich mein der Begriff "energetisch höher", dass wir einen Zusatnd schwächerer Bindung zwischen Kern und besagtem Elektron haben.

Dank dir für deinen Hinweis, ich werde das besser berücksichtigen ! (es ist zum Glück ein etwas älteres Video aus den Anfangstagen, ich hoffe, dass ich da mittlerweile exakter bin)

Grüße,

alex
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+1 # Orbitalmodell (Lightversion) - EnergiestufenJürgen 2013-12-15 17:06
Cooles Video!

Im Prinzip stimmt alles. Nur mir wurde beigebracht, dass die äußeren Schalen energetisch höher liegend sind, und nicht die, die näher am Kern liegen. (Dh. die stabilsten Schalen sind die, die näher am Kern liegen.) Das widerspricht deiner Auffassung in der Einführung (Lightversion) in der Minute 7:40. Nur so könnte man die Abgabe von Licht als eine bestimmte Wellenlänge beim Rückkehren angeregter Elektrone zu ihrer Originalschale erklären, denn die Wellenlänge ist umso energetischer, je größer der Sprung zwischen zwei Schalen ist. (Die Energie der Wellenlänge entspricht genau dem Unterschied der Energien der beiden Schalen.) Ein schönes Beispiel um das zu veranschauliche n ist der Wasserstoff-Emi ssionsspektrum, besonders der im sichtbaren Lichtbereich, auch Balmer-Serie genannt.

Schönen Gruß, Jügen
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0 # RE: Orbitalmodell - EinführungAlex 2013-10-22 06:31
Hallo Manuel,

prinzipiell kommt in jeder Schale ein neues Orbital dazu:
in der ersten Periode nur ein s-Orbital, in der zweiten ein s und 3 p, in der dritten (formal) ein 1, 3 p und 5 d-Orbital. die Besetzung ist aber eine andere.

Schau dir am besten noch einmal dieses Video hier an:
alteso.de/.../...
da wird die ganze Geschichte etwas näher beleuchtet.

Melde dich gern, wenn immer noch etwas unklar ist!

Grüße,

alex
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0 # RE: Orbitalmodell - EinführungManuel 2013-10-21 21:22
Hallo,

erstmal danke vielmals für die kostenlosen Videos.

Leider steige ich beim Thema "Orbitalmodell" dennoch nach wie vor nicht durch...

Ich tue mir auch nach allen Erklärungen, die ich bisher finden konnte, noch schwer, mir das ganze Modell bildlich vorzustellen.

Wie ist denn das nun mit den "s-Orbitalen" und "p-Orbitalen"? Kann es "s-Orbitale" nur auf der K-Schale geben oder können diese auch auf der L-Schale auftreten? Wie genau muss man sich deren Verteilung auf den Schalen vorstellen?

Auch nach vielen verschiedenen Erklärungen (und ich habe jetzt schon einige durch) konnte ich keine finden mit der das Modell für mich be*greif*bar wird... Es kann ja nicht Sinn sein nur verschiedene Zahlen auswendig zu lernen. Irgendwann muss ich ja wohl auch mit dem Modell arbeiten können... :(
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0 # RE: Orbitalmodell - EinführungAlex 2013-06-30 09:44
Hallo Jens,

ich kenne es so, dass man nach den Hauptquantenzah len (1,2,3,..) und nicht in der Reihenfolge der Besetzung ordnet. Kann aber beide Denkweisen nachvollziehen und fände es hart, die andere Form dann zwingend als "falsch" zu bezeichnen - letzten Endes geht es darum, zu verstehen und anzuwenden, also die 4s-Orbitale vor den 3d zu besetzen - wie das dann nun wieder ausgedrückt wird, nun ja.... ich persönlich würde deine zweite Version vom Brom-Beispiel bevorzugen, wobei man ja "kürzen" kann damit es besser ausschaut: [Ar] 3d10 4s2 4p5

Das Energieniveausc hema benötigt man ja auch nicht jedes mal - das dient ja nur der Erklärung. Wenn mans verstanden hat, kann man das so oder so aus dem PSE ablesen. Zum Merken der Reihenfolge gibts ja auch noch die Schachbrettgesc hichte unter den Videos:

alteso.de/.../...


Danke für den Hinweis bzgl. der Links! Falls noch etwas nicht passt, sag bitte nochmal bescheid!

Grüße,

alex

Weitere Beiträge zur Elektronenkonfi guration dann bitte unter dem oben auch verlinkten Beitrag, damit es geordnet bleibt.

edit: "Mortimer - Basiswissen der Chemie" und Wikipedia sagen auch, "Hauptquantenza hl vor Aufbauregel", das ist also definitiv "richtiger" um es mal so auszudrücken
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0 # Elektronenkonfi gurationJens 2013-06-29 23:04
Macht es einen Unterschied ob ich jetzt schreibe (am Beispiel von Brom): „ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5 “ oder ob ich schreibe „ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5 “ also die Reihenfolge der Orbitale? Ich frage nur, da ich gerne wissen würde ob das generell falsch ist oder ob man das machen kann, da man die Elektronenkonfi guration einfach anhand, des Periodensystems durch Haupt und Nebengruppen bestimmen kann ohne auf das Energieniveausc hema aus deinem Video zurückgreifen zu müssen.

PS: die Links zu den Videos zur Bestimmung der Elektronenkonfi guration sind auf deiner Seite falsch. Man wird immer zum Einführungsvide o zum Orbitalmodell geleitet.

Gruß
Jens
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+2 # RE: Orbitalmodell - EinführungAlex 2013-01-09 06:59
@Kaja

im Unterricht? kam die Idee von eurem Lehrer?

Das Video stammt aus den ersten Tagen und ist hat seine Tücken - ich habe es daher schon neu verfilmt, bin aber noch nicht dazu gekommen, es auch auf der Seite zu verbauen. Daher erstmal hier zu finden:

www.youtube.com/.../

Grüße,

alex

Edit: Mittlerweile ist besagtes neues Video im Beitrag an erster Stelle eingebaut
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+1 # RE: Orbitalmodell - EinführungKaja 2013-01-08 21:05
Wir haben das Video in Chemie geguckt --> ein paar kleine Kritikpunkte: Die Achse ist irgendwie falsch gezeichnet... :D Und es ist akkustisch nicht so gut zu verstehen, obwohl wir echt leise waren, ein Mikro oder so wäre gut.

Aber danke das du solche Videos machst. :)
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0 # RE: Orbitalmodell - EinführungAlex 2012-12-27 16:20
@nana

eins gibts ja bereits - schon gesehen?

Demnächst kommt noch etwas zur Hybridisierung und es wird eine neue, technisch stark verbesserte Version zum Orbitalmodell geben - was euch thematisch noch fehlt, müsstet ihr mir schon irgendewie mitteilen. Es sind viele weiterführende Themen denkbar, die Frage ist, was hat Relevanz?

Grüße,

alex
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0 # RE: Orbitalmodell - Einführungnana 2012-12-24 18:50
hey alles richtig gut erklärt danke, aber könntest du vllt noch ein weiterführendes video dazu machen? ich brauch das für die uni und bin zur zeit ziemlich verwirrt :/ wäre superrr nett dankee
lg
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+1 # RE: Orbitalmodell - EinführungAlex 2012-10-16 22:15
Jo, ist richtig - wie oben teilweise erklärt ;-)
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0 # RE: Orbitalmodell - EinführungBecki 2012-10-16 21:42
wir haben in chemie gar keinen zusammenhang mit den perioden gehabt. meine lehrerin hat nur gesagt in welcher reihenfolge die orbitale kommen. :sad:
hefteintrag: 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz Ist die richtig? :D
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+3 # RE: Orbitalmodell - EinführungAlex 2012-10-16 19:20
Was habt ihr da anders, kannst du das genauer erklären?

die Ziffer betrifft im Grunde die Schale im Bohrschen Atommodell oder eben die Periode - 1,2,3,4, usw.

in der ersten Schale gibts nur das s-Orbital, also 1s. In der zweiten kommen die p-Orbitale dazu: 2s, 2px,2py,2pz. In der 3. Periode kommen 5 d-Orbitale dazu, in der 4. noch 7 f-Orbitale... das ist die schematische Reihenfolge, p- und s-Orbitale sollten theoretisch in der Schule genügen. Wenn man noch die d-Orbitale betrachtet, muss man beachten, dass zB. das 4s-Orbital vor einem d-Orbital besetzt wird - vielleicht meintest du das? Grund - es liegt energetisch tiefer/ günstiger... Und: in jedes Orbital passen 2 Elektronen!! Immer! Beim Wasserstoff ist nur eins drin, weil Wasserstoff eben nur ein einziges Elektron hat.
Frage beantwortet oder noch weiter verwirrt?
Frag ruhig nach, hilft sicher auch anderen und mir bei der Planung eines evtl nötigen Zusatzvideos.
Grüße,

alex
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0 # RE: Orbitalmodell - EinführungBecki 2012-10-16 19:01
wie genau ist die reinfolge der orbitale? also 1s , 2s , 2px, 2pz, 2py, 3s .... ? Und kann in das 1s orbital nur ein Elektron?? weil wir haben das in chemie anders :-? Danke fürs video schonmal ist echt toll! :D
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+2 # das orbitalmodellherbert 2012-10-01 18:33
;-) das video ist wirklich gut zu verstehen wäre schön wenn es weitergeführt wird. auch evtl die d und f schalen mit einbeziehen.wär e super
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