Um zu verstehen, wie viele Elektronen ein neutrales Atom einer bestimmten Substanz enthält, muss man sich dem periodischen System chemischer Elemente zuwenden. Dieses System ist ein erstaunliches Werkzeug für das Studium der Chemie und ermöglicht es Ihnen, Informationen über alle Elemente zu erhalten, die im Universum existieren.
Das periodische System chemischer Elemente besteht aus verschiedenen Tabellen, in denen die Elemente in der Reihenfolge ihrer Ordnungszahl dargestellt werden. Die Ordnungszahl bestimmt die Anzahl der Protonen im Elementatom und damit die Anzahl der Elektronen.
Ein neutrales Atom zeichnet sich dadurch aus, dass seine Gesamtladefähigkeit Null ist. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen im Atom ist. Wenn Sie also wissen möchten, wie viele Elektronen sich in einem neutralen Atom einer bestimmten Substanz befinden, müssen Sie nur ihre Ordnungszahl im Periodensystem kennen.
Definition von Quantenzahlen
Die erste Quantenzahl - die mit n bezeichnete Hauptquantenzahl - bestimmt das grundlegende Energieniveau eines Elektrons. Je größer der Wert von n ist, desto höher ist das Energieniveau und das Elektron befindet sich weiter vom Kern entfernt. Die Hauptquantenzahlen zeigen auch die Anzahl der Energieunterschiede in einem bestimmten Level an.
Die zweite Quantenzahl - die mit l bezeichnete Umlaufquantenzahl - definiert die Form des Orbitals, auf dem sich das Elektron befindet. Der Wert von l hängt vom Wert von n ab und kann Werte zwischen 0 und (n-1) annehmen. Jeder l-Wert entspricht einer bestimmten Form des Orbitals (s, p, d, f).
Die dritte Quantenzahl - eine magnetische Quantenzahl, die mit m bezeichnet wird - bestimmt die Ausrichtung des Orbitals im Raum. Der m-Wert hängt vom l-Wert ab und kann Werte von -l bis l annehmen.
Die vierte Quantenzahl - die Spin-Quantenzahl, die mit s bezeichnet wird, bestimmt die Drehrichtung eines Elektrons um seine Achse. Der Wert von s kann +1/2 oder -1/2 sein und zeigt die Richtung des Elektrons an.
Aus diesen Werten von Quantenzahlen können Sie eine elektronische Konfiguration eines Atoms erstellen, die Anzahl der Elektronen auf jeder Energieniveau und in jeder Umlaufbahn bestimmen.
Das Konzept von Quantenzahlen in der Chemie
Es gibt vier Hauptquantenzahlen: Hauptsache, orbital, magnetisch und Spin.
- Die Hauptquantenzahl (n) bestimmt das Hauptenergieniveau eines Atoms und zeigt die durchschnittliche Entfernung eines Elektrons vom Kern an. Je größer der Wert von n ist, desto höher ist das Energieniveau und desto weiter ist das Elektron vom Kern entfernt.
- Die umlaufende Quantenzahl (l) definiert die Form der Umlaufbahn eines Elektrons und nimmt Werte von 0 bis (n-1) an. Der l-Wert bestimmt auch die Unterebene des Energieniveaus und die Anzahl der Unterebenen, die innerhalb des Hauptenergieniveaus vorhanden sein können.
- Die magnetische Quantenzahl (m) bestimmt die Ausrichtung der Umlaufbahn eines Elektrons im dreidimensionalen Raum und nimmt Werte von -l bis +l an. Der Wert m beschreibt die Anzahl der Orbitale einer gegebenen Form und einer Unterebene auf der Hauptenergieebene.
- Die Spin-Quantenzahl (s) definiert den Spin eines Elektrons und kann ±1/2 betragen. Es zeigt die Drehrichtung des Elektrons um seine Achse und sein magnetisches Moment an.
So kann man mit Hilfe von Quantenzahlen die vollständige elektronische Konfiguration eines Atoms und die Anzahl der Elektronen auf jedem Energieniveau bestimmen. Dies ermöglicht es Ihnen, die Anzahl der Elektronen im neutralen Atom einer gegebenen Substanz festzulegen.
Die wichtigste Quantenzahl: Die grundlegende Energiehülle
Jede Elektronenschale stellt ein Energieniveau dar, auf dem sich Elektronen befinden können. Hauptquantenzahl n bestimmt die Anzahl solcher Ebenen in einem Atom. Es kann ganzzahlige Werte zwischen 1 und höher annehmen.
Das dem Kern eines Atoms am nächsten stehende Elektron befindet sich auf der Schale mit dem kleinsten Wert der Hauptquantenzahlenzahl, es wird als bezeichnet n = 1. Jede nächste Hülle hat einen größeren Wert der primären Quantenzahl und eine entsprechende größere Energie.
Die Anzahl der Elektronen an jeder Energiehülle wird durch die Formel bestimmt 2n^2, wo n - der Wert der primären Quantenzahl. Somit kann es maximal 2 Elektronen auf der ersten Schale geben, auf der zweiten 8 Elektronen, auf der dritten 18 Elektronen und so weiter.
Zum Beispiel wäre für ein Sauerstoffatom (O) mit 8 Elektronen die Gesamtsumme der Elektronen an den Haupthüllen wie folgt: die erste Schale hat 2 Elektronen, die zweite 6 Elektronen. Dies entspricht dem Wert der primären Quantenzahl n = 2.
| Die Hauptquantenzahl (n) | Anzahl der Elektronen auf der Schale |
|---|---|
| 1 | 2 |
| 2 | 8 |
| 3 | 18 |
| 4 | 32 |
| 5 | 50 |
Die wichtigste Quantenzahl ermöglicht es daher, die Anzahl der Elektronen an jeder Energiehülle im neutralen Atom einer gegebenen Substanz zu bestimmen.
Magnetische Quantenzahl: Orbitalorientierung
Der Wert einer magnetischen Quantenzahl zeigt an, wie viele diskrete Orientierungen ein Elektron im Orbit haben kann. Jede Orientierung entspricht einer bestimmten magnetischen Quantenzahl und hat ihre eigene Energie. Daher beeinflusst eine magnetische Quantenzahl die Verteilung von Elektronen in einem Atom und bestimmt seine chemischen und physikalischen Eigenschaften.
Ein Beispiel: Wenn der Wert der magnetischen Quantenzahl 0 ist, bedeutet dies, dass das Orbital nur eine Orientierung im Raum hat. Wenn der Wert der magnetischen Quantenzahl 1 ist, hat das Orbital drei mögliche Orientierungen.
Die magnetische Quantenzahl ist mit dem orbitalen Moment des Elektronimpulses verbunden und bestimmt sein magnetisches Moment, das wiederum die Wechselwirkung des Atoms mit dem äußeren Magnetfeld beeinflusst.
Azimutquantenzahlen: Die Form des Orbitals
Die Azimutquantenzahl wird durch einen Buchstaben gekennzeichnet l und kann Werte von 0 bis n-1 annehmen, wobei n die primäre Quantenzahl ist. Jeder Wert einer Azimutquantenzahl entspricht seiner Orbitalform.
Wenn beispielsweise eine Azimutquantenzahl 0 (l = 0) ist, wird die Form des Orbitals als s-Orbital bezeichnet und hat eine kugelförmige Form. Ein S-Orbital kann maximal 2 Elektronen enthalten.
Mit dem Wert der Azimutquantenzahl 1 (l = 1) wird die Form des Orbitals als p-Orbital bezeichnet und besteht aus drei Suborbitalen: px, py und pz. Jedes Suborbital kann maximal 2 Elektronen enthalten, was insgesamt 6 Elektronen für alle drei p-Orbitale ergibt.
Die Azimutquantenzahl 2 (l = 2) entspricht der Form des Orbitals d, das fünf Unterorbitale enthält: dxy, dyz, dzx, dx2-y2 und dz2. Jedes Suborbital kann maximal 2 Elektronen aufnehmen, was insgesamt 10 Elektronen für alle fünf d-Orbitale ergibt.
Ebenso entspricht die Azimut-Quantenzahl 3 (l = 3) der Form des Orbitals f, das sieben Unterorbitale enthält: fx(yz), fy(zx), fz(x^2-y^2), fxyz, fx^3, f3xyz und fz^3. Jedes Suborbital kann maximal 2 Elektronen aufnehmen.
Die Azimutquantenzahl bestimmt also die Form des Orbitals und damit die Anzahl der Elektronen, die sich in einem gegebenen Orbitalumlauf in einem neutralen Atom einer gegebenen Substanz befinden können.
Spin-Quantenzahl: die Richtung des elektronischen Spins
Der Elektronenspin kann in zwei mögliche Richtungen gerichtet werden: "nach oben" oder "nach unten". Um diese beiden Zustände zu bezeichnen, wird eine Spin-Quantenzahl verwendet. Wenn der Spin des Elektrons "nach oben" zeigt, ist die Spin-Quantenzahl 1/2, wenn "nach unten" -1 / 2 ist.
Eine Spin-Quantenzahl ist wichtig für die Bestimmung der Eigenschaften eines Atoms und seiner elektronischen Struktur. Es hilft, die Struktur atomarer Orbitale und die Verteilung von Elektronen über die Energieniveaus zu erklären. Die Anzahl der Elektronen in einem neutralen Atom wird durch das Füllprinzip bestimmt, das auf den Werten der Spinquantenzahlen der Elektronen basiert.
Daher spielt die Spin-Quantenzahl eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der chemischen Eigenschaften einer Substanz und ihrer Reaktivität. Das Studium der Spin-Quantenzahl hilft, das Verhalten von Elektronen in Atomen und Molekülen zu verstehen und wird auch in der modernen Physik und Quantenmechanik angewendet.
Wie kann ich die Anzahl der Elektronen in einem neutralen Atom bestimmen
Die Anzahl der Elektronen in einem neutralen Atom kann anhand der Kenntnis seiner Ordnungszahl bestimmt werden. Die Ordnungszahl ist eine eindeutige Kennung des Elements und gibt die Anzahl der Protonen im Atom an.
In einem neutralen Atom ist die Anzahl der Elektronen also gleich der Anzahl der Protonen. Zum Beispiel wäre für ein Sauerstoffatom mit der Ordnungszahl 8 auch die Anzahl der Elektronen 8.
Die Anzahl der Elektronen in einem Atom kann auch durch das Periodensystem der Elemente bestimmt werden. Im Periodensystem sind die Elemente in aufsteigender Reihenfolge der Ordnungszahl angeordnet. Es wird auch ihre Atommasse angegeben, die die durchschnittliche Masse der Atome dieses Elements darstellt. Normalerweise wird die Ordnungszahl über dem Elementsymbol und die Atommasse darunter angegeben.
Für ein Calciumatom mit der Ordnungszahl 20 und einer Atommasse von 40.08 wäre beispielsweise die Anzahl der Elektronen 20. Dies kann im Periodensystem der Elemente beobachtet werden.
Mit diesen Methoden können Sie die Anzahl der Elektronen in einem neutralen Atom verschiedener Substanzen bestimmen und ihre Struktur und chemischen Eigenschaften leicht verstehen.
Beispiel für die Berechnung der Anzahl der Elektronen in einem Atom
Um die Anzahl der Elektronen in einem Atom zu berechnen, müssen Sie seine Ordnungszahl kennen. Die Ordnungszahl bestimmt die Position des Elements in der Periodentabelle und zeigt die Anzahl der Protonen (und damit der Elektronen) im Kern eines Atoms an.
Nehmen wir an, wir haben ein Atom mit der Ordnungszahl 6, das dem Element Kohlenstoff entspricht. Um die Anzahl der Elektronen in diesem Atom zu ermitteln, können wir den folgenden Ansatz verwenden:
- Wir betrachten die Ordnungszahl 6 und sehen, dass Kohlenstoff 6 Protonen im Kern hat.
- Da das Atom neutral ist, hat es auch 6 Elektronen in einer Wolke um den Kern herum.
Somit enthält ein Kohlenstoffatom mit der Ordnungszahl 6 6 Elektronen.
Ebenso ist es möglich, die Anzahl der Elektronen in einem Atom anderer Elemente unter Verwendung ihrer Ordnungszahl zu berechnen.
