Elektronenkonfiguration

Synonym: Elektronenverteilung
Englisch: electron configuration

Definition

Die Elektronenkonfiguration gibt an, wie die Verteilung der Elektronen in der Elektronenhülle eines Atoms auf den verschiedenen Energiezuständen bzw. Aufenthaltsräumen (Orbitale) ist.

Hintergrund

Die Elektronenkonfiguration folgt im Wesentlichen drei Regeln:

Im Grundzustand eines Atoms erfolgt die Besetzung der Energieniveaus nacheinander, beginnend beim energieärmsten Niveau (1s).
Die s-Unterniveaus werden vorab mit zwei Elektronen besetzt, bevor man mit der Besetzung des p-Unterniveaus derselben Schale beginnt.
Die energetisch gleichwertigen p-Zustände (p_x, p_y, p_z) werden zuerst nur mit einem Elektron besetzt. Diese drei weisen alle den selben parallelen Spin (Hund-Regel) auf. Anschließend kommt jeweils ein zweites Elektron mit entgegengesetztem Spin hinzu.

Anwendung

Die folgende Tabelle gibt die Elektronenkonfiguration der ersten 12 Elemente des Periodensystems (Ordnungszahl 1 bis 12) an. Die Anordnung ist entgegengesetzt aufgelistet: Sie erfolgt von unten nach oben, entsprechend dem Anstieg der Energieniveaus.

Element	Symbol	Ordnungszahl	Elektronen- konfiguration	Valenzelektronen
Magnesium Natrium Neon Fluor Sauerstoff Stickstoff Kohlenstoff Bor Beryllium Lithium Helium Wasserstoff	Mg Na Ne F O N C B Be Li He H	12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ 1s² 2s² 2p⁶ 1s² 2s² 2p⁵ 1s² 2s² 2p⁴ 1s² 2s² 2p³ 1s² 2s² 2p² 1s² 2s² 2p¹ 1s² 2s² 1s² 2s¹ 1s² 1s¹

Energieniveauschema

Man kann gleichzeitig für die Elektronen eines Atoms die Energie der besetzten Niveaus kennzeichnen. Dazu benötigt man ein Energieniveauschema (Abbildung unten). Aus diesem kann man herauslesen, dass sich bis zum 3p-Niveau alles so ordnet, wie man es erwatet. Ab hier überschneiden sich die Energieniveaus der Schalen, da das 4s-Niveau energieärmer ist als das 3d-Niveau. So werden erst Elektronen in die 4. Schale eingebaut, bevor die restlichen Niveaus der 3. Schale aufgefüllt werden. Eine ähnliche Situation liegt beim 5s- und 4d-Niveau vor. In diesen Fällen sind die 4s- bzw. 5s-Elektronen die Valenzelektronen.

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Als Beispiel folgt ein detailliertes Energieniveauschema für das Kohlenstoffatom. Die bei den Niveaus positionierten Pfeile kennzeichnen jeweils ein Elektron, durch die Pfeilrichtung wird der Spin des Elektrons charakterisiert. Das Kohlenstoffatom besitzt vier Valenzelektronen, die durch blaue Pfeile gekennzeichnet sind. Komplexer ist die Elektronenkonfiguration des Eisenatoms (₂₆Fe) betrachen: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Das Eisenatom weist zwei Valenzelektronen auf. Das 3d-Niveau ist somit noch nicht voll aufgefüllt: Es fehlen also zur Vollbesetzung dieses Unterniveaus vier Elektronen.