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Orbital


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Als Orbitale eines Atoms bezeichnet man die räumliche die charakterisiert wo man Elektronen in der Elektronenhülle antreffen könnte. Dies sind keine Kreisbahnen im Atommodell von Niels Bohr . Viel mehr brachten Entwicklungen der Quantenmechanik die Erkenntnis dass der genaue Aufenthaltsort Elektronen aufgrund der Unschärferelation nicht exakt sondern ihre Verteilung stochastisch beschrieben werden kann. Siehe auch Heisenberg'sche Unschärferelation .

Orbitale werden anhand der vier Quantenzahlen n m l und s klassifiziert gilt:

  • n ( Hauptquantenzahl Wertebereich: 1 2 3 ..) beschreibt Hauptenergieniveau was ein Elektron hat. Es entspricht der Bahnzahl n des Bohr'schen Atommodells
  • l ( Bahndrehimpulsquantenzahl Wertebereich: 0 1 .. n-1) beschreibt Drehmoment des Elektrons
<math>|L|=\hbar \cdot \sqrt{l(l+1)}</math>

Bei gleichem n-Wert haben Orbitale höherer höhere Energie.

  • m ( magnetische Quantenzahl Wertebereich: -l .. +l) beschreibt die Ausrichtung die das Orbital bezüglich eines äußeren einnimmt. Für die Projektion des Drehimpulsvektors auf Richtung des Magnetfeldes gilt:
<math>L_z=\hbar \cdot m</math>
  • s ist die Spinmagnetquantenzahl kurz Spin . Sie kann den Wert +1/2 oder für ein Elektron annehmen.

Die Orbitale zu den verschiedenen l haben charakteristische (grobe) Formen die auch bei n-Werten qualitativ erhalten bleiben. Jedem l wird historischen Gründen ein bestimmter Buchstabe zugeteilt:

(Die Bezeichnungen s p d und stammen aus der Spektroskopie und dienen nur der Bezeichnung.)

Die Orbitale charakterisieren streng genommen nur möglichen Eigenschwingungszustände der Elektronen-Wahrscheinlichkeitswellen wie sie in wie z.B. Wasserstoffatom H oder Heliumionen He + Lithiumionen Li 2+ usw. vorkommen. Die zu den Orbitalen Wellenfunktionen (s. Kugelflächenfunktionen) ergeben sich aus der Schrödingergleichung des Einelektronensystems. Trotz dieser Beschränktheit reicht die Kenntnis der groben Form der Orbitale auch in Mehrelektronensystemen erhalten bleibt um viele Fragen zum Aufbau von Stoffen zu beantworten.

Die durch Quadrierung der Wellenfunktion (s. Max Borns Wahrscheinlichkeitsinterepretation) der jeweiligen Elektronen erzeugten Orbitale nicht immer mit den aufgrund chemischer Eigenschaften vermutenden Formen überein. Durch eine Überlagerung der entstehen rechnerisch so genannte Hybridorbitale. Diesen Modellierungsvorgang man Hybridisierung der Orbitale. So stellt man fest das Kohlenstoffatom in der äußeren Elektronenschale zwei und zwei p-Elektronen besitzt. Dementsprechend müssten diese bei den C-H-Bindungen im Methan zu unterschiedlichen Bindungen führen. Tatsächlich stellt aber fest dass die vier Bindungen gleichartig nicht unterscheidbar sind. Dies kann man durch 3 -Hybridisierung erklären: Das doppelt besetzte kugelförmige s-Orbital mit den drei einfach bzw. nicht besetzten p-Orbitalen zu vier gleichen kegelförmigen sp 3 -Hybridorbitalen kombiniert. Diese richten sich tetraedrisch im aus und bilden mit den s-Elektronen des gleiche Atombindungen. Das so entstandene Modell entspricht beobachteten Eigenschaften des Methans.

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