Aufgaben: Die Elektronenkonfiguration

Die Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff ($Z = 1$), und die Ballons, die auf Jahrmärkten schweben, werden mit Helium ($Z = 2$) gefüllt. Schreibe die Elektronenkonfiguration jedes Elements auf und gib an, in welchem Unterniveau sich seine Elektronen befinden.

Im bohrschen Modell bewegten sich die Elektronen auf exakten Bahnen um den Kern, wie die Planeten um die Sonne. Heute spricht das Quantenmodell von Orbitalen. Die Abbildung vergleicht die beiden Modelle.

Erkläre mit eigenen Worten, was ein Orbital ist und wodurch es sich von einer Bahn im bohrschen Modell unterscheidet.

Jedes Orbital kann höchstens $2$ Elektronen aufnehmen. Ein $s$-Unterniveau hat nur ein einziges Orbital und ein $p$-Unterniveau hat $3$ Orbitale, wie die Abbildung zeigt.

Berechne, wie viele Elektronen höchstens in ein $s$-Unterniveau und wie viele in ein $p$-Unterniveau passen.

Handyakkus enthalten Lithium ($Z = 3$).

1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Erkläre, warum das dritte Elektron das Unterniveau $1s$ nicht besetzen kann.

Kohlenstoff ($Z = 6$) steckt in der Mine von Bleistiften, im Diamanten und in allen Molekülen der Lebewesen.

1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Gib an, wie viele Valenzelektronen (die Elektronen der äußersten Schale) er hat.

Die Leuchtreklamen vieler Kneipen und Kinos funktionieren mit Neon ($Z = 10$).

1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Überprüfe, dass seine äußerste Schale voll besetzt ist, und erkläre, warum Neon ein so reaktionsträges Gas ist.

Eine Raumsonde untersucht die Atmosphäre eines Planeten und findet Atome mit der Elektronenkonfiguration $1s^2\ 2s^2\ 2p^4$.

1. a) Wie viele Elektronen hat jedes dieser Atome?
2. b) In einem neutralen Atom stimmt die Zahl der Elektronen mit der Ordnungszahl $Z$ überein. Um welches Element handelt es sich?

Die orangefarbenen Straßenlaternen vieler Autobahnen sind Natriumdampflampen ($Z = 11$).

1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration von Natrium auf.
2. b) Wie viele Valenzelektronen hat es?

Chlor ($Z = 17$) wird verwendet, um das Wasser in Schwimmbädern zu desinfizieren.

1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Gib an, wie viele Valenzelektronen es hat und wie viele ihm fehlen, um seine äußerste Schale zu füllen.

Zwischen den beiden Scheiben vieler Doppelglasfenster ist Argon ($Z = 18$) eingeschlossen, ein Gas, das praktisch mit nichts reagiert.

1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Erkläre anhand seiner äußersten Schale, warum Argon so reaktionsträge ist.

Das Kalium ($Z = 19$) in Bananen hat ein Elektron mehr als Argon. Nach dem Moeller-Diagramm wird, wenn das Unterniveau $3p$ voll ist, das $4s$ besetzt, das energieärmer ist als das $3d$, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration von Kalium auf.
2. b) Gib an, in welchem Unterniveau sich sein Valenzelektron befindet.

Calcium ($Z = 20$) ist das Mineral der Knochen und der Korallenriffe.

1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Wie viele Valenzelektronen hat es?

Die physiologische Kochsalzlösung, die in Krankenhäusern verabreicht wird, enthält $\text{Na}^+$-Ionen.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration des Natriumatoms ($Z = 11$) und die des Ions $\text{Na}^+$ auf.
2. b) Mit welchem Edelgas stimmt die Konfiguration des Ions überein?

Im Kochsalz liegt Chlor ($Z = 17$) als Chlorid-Ion $\text{Cl}^-$ vor.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration des Ions $\text{Cl}^-$ auf.
2. b) Überprüfe, dass sie mit der Konfiguration eines Edelgases übereinstimmt, und gib an, um welches es sich handelt.

Das Moeller-Diagramm ordnet die Unterniveaus entlang von Diagonalen von der niedrigsten zur höchsten Energie, wie die Abbildung zeigt. Die ersten Abschnitte sind: $1s$; danach $2s$; danach die Diagonale $2p$-$3s$; danach die Diagonale $3p$-$4s$; und dann die Diagonale $3d$-$4p$-$5s$.

Ordne die folgenden Unterniveaus von der niedrigsten zur höchsten Energie: $3s$, $4s$, $1s$, $3p$, $2p$, $2s$ und $3d$.

Ein Schüler schreibt in sein Heft, die Konfiguration von Natrium ($Z = 11$) sei $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^3$. Finde den Fehler, erkläre, warum diese Konfiguration unmöglich ist, und schreibe die richtige Konfiguration auf.

In der Elektronik von Handys und Computern wird eine sehr hitzebeständige Keramik verwendet, das Aluminiumnitrid, das aus $\text{Al}^{3+}$-Ionen und $\text{N}^{3-}$-Ionen besteht ($Z$: Al = 13, N = 7), wie die Abbildung zeigt.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration der beiden Ionen auf.
2. b) Überprüfe, dass beide dieselbe Anzahl an Elektronen haben (man nennt sie isoelektronisch).
3. c) Erkläre, warum das eine Ion trotz gleich vieler Elektronen die Ladung $3+$ und das andere die Ladung $3-$ hat (denke an die Protonen im jeweiligen Kern).

Die Elektronenkonfiguration eines Elements endet auf $3p^5$.

1. a) Schreibe die vollständige Konfiguration auf und leite die Ordnungszahl ab.
2. b) Wie viele Elektronen fehlen ihm, um die Schale $3$ (einschließlich der $3d$-Orbitale) zu füllen?
3. c) Sage das wahrscheinlichste Ion voraus, das dieses Element bildet, und schreibe die Konfiguration dieses Ions auf.

Einige Antazida aus der Apotheke enthalten Magnesiumoxid, $\text{MgO}$, das aus $\text{Mg}^{2+}$-Ionen und $\text{O}^{2-}$-Ionen besteht ($Z$: Mg = 12, O = 8).

1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration jedes Ions auf.
2. b) Überprüfe, dass beide Ionen dieselbe Anzahl an Elektronen haben.
3. c) Erkläre anhand der Konfigurationen der neutralen Atome, warum es für Magnesium „günstig“ ist, $2$ Elektronen abzugeben, und für Sauerstoff, $2$ aufzunehmen.

Um im Winter das Eis auf den Straßen zu schmelzen, wird Magnesiumchlorid verwendet, $\text{MgCl}_2$ ($Z$: Mg = 12, Cl = 17).

1. a) Schreibe die Elektronenkonfigurationen der beiden Atome und ihrer Ionen $\text{Mg}^{2+}$ und $\text{Cl}^-$ auf.
2. b) Begründe anhand der Ionenladungen, warum die Formel der Verbindung $\text{MgCl}_2$ lautet und nicht $\text{MgCl}$.

In Laborvideos sieht man, dass Natrium ($Z = 11$) und Kalium ($Z = 19$) sehr ähnlich mit Wasser reagieren und dabei eine Flamme entsteht.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfigurationen der beiden Elemente auf.
2. b) Gib an, was ihre Valenzschalen gemeinsam haben.
3. c) Erkläre mithilfe dieser Ähnlichkeit, warum sich die beiden Elemente chemisch so ähnlich verhalten.

Für Kalium ($Z = 19$) schreibt ein Schüler die Konfiguration $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 3d^1$ und begründet, dass „nach dem Unterniveau $3p$ das $3d$ an der Reihe ist“.

1. a) Schreibe die richtige Konfiguration nach der Reihenfolge des Moeller-Diagramms auf.
2. b) Erkläre, welchen Fehler der Schüler gemacht hat.
3. c) Wie viele Valenzelektronen hat Kalium nach der richtigen Konfiguration?

Ein $\text{X}^{2+}$-Ion hat die Elektronenkonfiguration $1s^2\ 2s^2\ 2p^6$.

1. a) Berechne, wie viele Elektronen das Ion hat, und leite die Ordnungszahl des Elements X ab.
2. b) Ein $\text{Y}^{-}$-Ion hat genau dieselbe Konfiguration: Leite auch seine Ordnungszahl ab.
3. c) Benenne mithilfe des Periodensystems die Elemente X und Y.

Isotonische Sportgetränke enthalten unter anderem $\text{K}^+$-, $\text{Ca}^{2+}$- und $\text{Mg}^{2+}$-Ionen ($Z$: K = 19, Ca = 20, Mg = 12).

1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration jedes der drei Ionen auf.
2. b) Was haben die drei Konfigurationen gemeinsam?
3. c) Erkläre anhand dieser Gemeinsamkeit, warum es diesen drei Elementen so leichtfällt, positive Ionen zu bilden.