Was ist ein Atomorbital? Ein Atomorbital ist eine mathematische Funktion, die das wellenartige Verhalten eines Elektrons in einem Atom beschreibt. Es stellt den Bereich um den Atomkern dar, in dem die Wahrscheinlichkeit, das Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt zu finden, am größten ist. Man kann es auch als die Wellenfunktion des Elektrons in einem Atom verstehen.
Atomorbital werden durch Quantenzahlen charakterisiert. Die Hauptquantenzahl n bestimmt das Energieniveau des Elektrons. Die Nebenquantenzahl l bestimmt die Form des Orbitals. Bei l gleich 0 haben wir kugelsymmetrische s-Orbitale. Bei l gleich 1 entstehen hantelförmige p-Orbitale. Bei l gleich 2 erhalten wir komplexere d-Orbitale. Die Magnetquantenzahl m bestimmt die räumliche Orientierung, während die Spinquantenzahl s den Eigendrehimpuls des Elektrons beschreibt.
Die Schrödinger-Gleichung beschreibt das Verhalten von Elektronen in Atomen. In dieser Gleichung ist Psi die Wellenfunktion des Elektrons. Die Wellenfunktion selbst hat keine direkte physikalische Bedeutung, aber ihr Betragsquadrat gibt die Wahrscheinlichkeit an, ein Elektron an einem bestimmten Ort zu finden. Diese Wahrscheinlichkeitsdichte ist proportional zu Psi-Quadrat. Hier sehen wir eine eindimensionale Wellenfunktion und die entsprechende Wahrscheinlichkeitsdichte darunter. Beachten Sie, dass die Wahrscheinlichkeitsdichte immer positiv ist, während die Wellenfunktion positive und negative Werte annehmen kann.
Das Aufbauprinzip beschreibt, wie Elektronen die Orbitale in einem Atom besetzen. Dabei gelten drei wichtige Regeln: Erstens werden Orbitale nach steigender Energie besetzt, beginnend mit dem 1s-Orbital. Dies ist das Aufbauprinzip. Zweitens kann jedes Orbital maximal zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin aufnehmen. Dies ist das Pauli-Prinzip. Und drittens werden bei energetisch gleichwertigen Orbitalen, wie den drei p-Orbitalen, zunächst alle Orbitale einfach besetzt, bevor Elektronen gepaart werden. Dies ist die Hund'sche Regel. Diese Prinzipien erklären die Elektronenkonfiguration der Elemente im Periodensystem.
Fassen wir zusammen: Ein Atomorbital ist eine mathematische Funktion, die das wellenartige Verhalten eines Elektrons in einem Atom beschreibt. Es stellt den Bereich dar, in dem die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron zu finden, am größten ist. Diese Wahrscheinlichkeit wird durch das Betragsquadrat der Wellenfunktion ausgedrückt. Orbitale werden durch vier Quantenzahlen charakterisiert: die Hauptquantenzahl n, die Nebenquantenzahl l, die Magnetquantenzahl m und die Spinquantenzahl s. Diese bestimmen Energie, Form, Orientierung und Spin des Elektrons. Die Besetzung der Orbitale folgt dem Aufbauprinzip, dem Pauli-Prinzip und der Hund'schen Regel. Das Orbitalmodell ist grundlegend für das Verständnis der Struktur des Periodensystems und der chemischen Bindungen zwischen Atomen.