Elektronenkonfigurationen schreiben, Schritt für Schritt

Was die Schreibweise bedeutet

Jeder Teil einer Konfiguration besteht aus drei Bausteinen. In 2p⁴ ist die 2 die Schale (die Hauptquantenzahl), der Buchstabe p ist die Art der Unterschale, und die hochgestellte 4 ist die Anzahl der Elektronen in dieser Unterschale. Die hochgestellten Zahlen ergeben immer die Gesamtzahl der Elektronen, die bei einem neutralen Atom der Ordnungszahl entspricht.

Es gibt vier Arten von Unterschalen, jede mit fester Kapazität: s fasst 2 Elektronen (1 Orbital), p fasst 6 (3 Orbitale), d fasst 10 (5 Orbitale) und f fasst 14 (7 Orbitale). Jedes Orbital fasst höchstens 2 Elektronen.

Die Reihenfolge des Aufbauprinzips

Elektronen füllen zuerst die Unterschalen mit der niedrigsten Energie. Das ist das Aufbauprinzip, benannt nach dem Wort für „aufbauen“. Die Füllreihenfolge ist 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p.

Beachte, dass 4s vor 3d gefüllt wird und 6s vor 4f. Die n + l-Regel erklärt das: Addiere die Schalennummer n zu l (0 für s, 1 für p, 2 für d, 3 für f) und fülle ausgehend von der niedrigsten Summe; bei Gleichstand wird das kleinere n zuerst gefüllt. Viele Schüler zeichnen stattdessen ein Diagonaldiagramm der Unterschalen und folgen den Pfeilen.

Das Periodensystem zeigt dieselbe Reihenfolge: Innerhalb einer Periode durchläufst du den s-Block (Gruppen 1–2), den d-Block (Gruppen 3–12, eine Schale tiefer) und den p-Block (Gruppen 13–18), wobei der f-Block (zwei Schalen tiefer) in die Perioden 6 und 7 passt.

Durchgerechnetes Beispiel: Sauerstoff

Sauerstoff hat die Ordnungszahl 8, also sind 8 Elektronen unterzubringen. Setze 2 in 1s (6 übrig), dann 2 in 2s (4 übrig), dann die letzten 4 in 2p, das bis zu 6 fassen könnte. Das Ergebnis ist 1s² 2s² 2p⁴. Probe: 2 + 2 + 4 = 8.

Die höchste Schale ist 2, mit 2 + 4 = 6 Elektronen, also hat Sauerstoff 6 Valenzelektronen. Innerhalb der 2p-Unterschale besagt die Hundsche Regel, dass Elektronen die drei p-Orbitale zuerst einzeln besetzen, bevor sie sich paaren, daher hat ein Sauerstoffatom zwei ungepaarte Elektronen.

Durchgerechnetes Beispiel: Eisen

Eisen hat die Ordnungszahl 26, also hat es 26 Elektronen. Fülle in der Reihenfolge des Aufbauprinzips: 1s² (2 untergebracht), 2s² (4), 2p⁶ (10), 3s² (12), 3p⁶ (18), 4s² (20), und die restlichen 6 gehen in 3d. Die vollständige Konfiguration ist 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.

Viele Lehrbücher, und diese Website, führen die Unterschalen stattdessen nach Schalennummer geordnet auf: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Beide beschreiben dasselbe Atom. Wenn Eisen Ionen bildet, gibt es zuerst seine 4s-Elektronen ab, daher ist Fe²⁺ [Ar] 3d⁶ und Fe³⁺ [Ar] 3d⁵.

Edelgas-Kurzschreibweise

Jede Unterschale hinzuschreiben wird bei schweren Atomen lang, daher ersetzen Chemiker die inneren Elektronen durch das Symbol des vorherigen Edelgases in eckigen Klammern. [He] steht für 1s², [Ne] für 1s² 2s² 2p⁶ und [Ar] für 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. Die schwereren Rümpfe sind [Kr] (36 Elektronen), [Xe] (54) und [Rn] (86).

Zur Anwendung schreibst du das vorherige Edelgas in Klammern und fügst nur die Elektronen hinzu, die danach kommen. Sauerstoff wird zu [He] 2s² 2p⁴, Natrium zu [Ne] 3s¹ und Eisen zu [Ar] 3d⁶ 4s².

Ausnahmen: Chrom und Kupfer

Einige Elemente folgen der Reihenfolge des Aufbauprinzips nicht genau. Für Chrom (24 Elektronen) würde man [Ar] 3d⁴ 4s² erwarten, doch seine tatsächliche Konfiguration ist [Ar] 3d⁵ 4s¹. Für Kupfer (29 Elektronen) würde man [Ar] 3d⁹ 4s² erwarten, doch tatsächlich ist es [Ar] 3d¹⁰ 4s¹.

In beiden Fällen wandert ein 4s-Elektron in 3d. Die Unterschalen 4s und 3d liegen energetisch sehr nah beieinander, und eine halb gefüllte (d⁵) oder ganz gefüllte (d¹⁰) d-Unterschale ist besonders stabil. Einige schwerere Elemente verhalten sich genauso: Molybdän ist [Kr] 4d⁵ 5s¹, Silber ist [Kr] 4d¹⁰ 5s¹ und Gold ist [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹. Etwa 20 Elemente im d- und f-Block haben unregelmäßige Konfigurationen, daher schlage bei schwereren Elementen in einer verlässlichen Tabelle nach.