Angeregte Zustände, Spinzustände und Magnetismus
Wie man angeregte Elektronenkonfigurationen erkennt und wie ungepaarte Elektronen über Magnetismus und Spinzustand entscheiden.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein angeregter Zustand entsteht, wenn ein Elektron durch Absorption ein höheres Orbital besetzt, obwohl ein tieferes frei ist; bei der Emission wird \(\Delta E = h\nu\) wieder abgegeben.
- \(1s^2 2s^1 2p^3\) ist ein angeregter Zustand des Kohlenstoffs und der erste angeregte Zustand von \(\ce{B-}\) und \(\ce{N+}\).
- Stoffe mit ausschließlich abgeschlossenen Schalen sind diamagnetisch: Das induzierte Feld ist dem äußeren entgegengesetzt.
- Ungepaarte Elektronen machen einen Stoff paramagnetisch, er richtet sich in Feldrichtung aus.
- \(\ce{O2}\) ist im Grundzustand Triplett-Sauerstoff: paramagnetisch, langlebiger und weniger reaktiv als der diamagnetische Singulett-Sauerstoff.
Worum es geht
Elektronen können durch Energiezufuhr auf höhere Niveaus springen. Ob eine Konfiguration angeregt ist und ob ein Teilchen ungepaarte Elektronen trägt, bestimmt seine magnetischen Eigenschaften und seine Reaktivität. Ein pharmazeutisch wichtiges Beispiel ist der hochreaktive Singulett-Sauerstoff.
Absorption und Emission
Im Grundzustand besetzen die Elektronen die energieärmsten Orbitale (Aufbauprinzip). Nimmt ein Atom Energie auf, springt ein Elektron in ein höheres Orbital. Das Atom befindet sich dann in einem angeregten Zustand.
Die Energieaufnahme durch ein Photon heißt Absorption. Fällt das Elektron zurück, gibt es dieselbe Energiedifferenz als Photon ab. Das ist die Emission. Für beide gilt \(\Delta E = h\nu\). Dabei ist \(h\) das Planck’sche Wirkungsquantum und \(\nu\) die Frequenz der Strahlung.
Angeregte Elektronenkonfigurationen
Eine Konfiguration ist angeregt, sobald ein höheres Orbital besetzt ist, während ein tieferes noch Platz hat. Beim Kohlenstoff lautet der Grundzustand \(1s^2 2s^2 2p^2\). Die Konfiguration \(1s^2 2s^1 2p^3\) ist sein erster angeregter Zustand: Ein 2s-Elektron wurde in das leere 2p-Orbital angehoben.
Für Ionen geht man in drei Schritten vor:
- Elektronenzahl: Ordnungszahl minus Ladung (Ionen). \(\ce{B-}\) hat 5 + 1 = 6, \(\ce{N+}\) hat 7 − 1 = 6 Elektronen.
- Grundzustand: Sechs Elektronen ergeben \(1s^2 2s^2 2p^2\).
- Promotion: Ein 2s-Elektron wandert nach 2p. Der erste angeregte Zustand beider Ionen ist \(1s^2 2s^1 2p^3\).
Auch größere Beispiele erkennt man an Lücken. In \(1s^2 2s^2 3p^2 4p^1\) bleiben die 2p-Orbitale leer. In \([\mathrm{Ar}]3d^{10} 4s^1 4p^4 5s^1\) ist 4s nur halb besetzt, obwohl 4p und 5s Elektronen tragen. In \([\mathrm{Kr}]4d^6 5s^2 5p^1\) ist 5p besetzt, bevor 4d voll ist.
Dia- und Paramagnetismus
Sind alle Schalen und Unterschalen abgeschlossen, liegen nur Elektronenpaare vor. Solche Stoffe sind diamagnetisch. Ein äußeres Magnetfeld induziert in ihnen ein Feld, das dem äußeren entgegengesetzt ist. Sie werden daher schwach aus dem Feld gedrängt. Die meisten Substanzen sind diamagnetisch.
Trägt ein Teilchen ungepaarte Elektronen, ist es paramagnetisch. Die Spins wirken wie kleine Kompassnadeln und richten sich in Feldrichtung aus. Der Stoff wird ins Feld hineingezogen.
Singulett und Triplett
Im Singulettzustand sind alle Elektronenspins gepaart, der Gesamtspin ist null. Im Triplettzustand besitzt das Teilchen zwei ungepaarte Elektronen mit parallelem Spin.
Molekularer Sauerstoff \(\ce{O2}\) liegt im Grundzustand als Triplett-Sauerstoff vor. Seine beiden π*-Elektronen sitzen einzeln und parallel in zwei Orbitalen. Er ist deshalb paramagnetisch. Im angeregten Singulett-Sauerstoff sind beide Elektronen in einem Orbital gepaart. Er ist diamagnetisch, energiereicher, kurzlebiger und deutlich reaktionsfreudiger. Die Herleitung aus dem MO-Schema steht unter Triplett- und Singulett-Sauerstoff.
Singulett- und Triplett-Sauerstoff sind elektronische Zustände desselben \(\ce{O2}\)-Moleküls. Allotrope Modifikationen unterscheiden sich dagegen im Molekülbau, etwa \(\ce{O2}\) und Ozon \(\ce{O3}\).
Quiz
Aussage 1
Das Kation \(\ce{N+}\) besitzt im ersten angeregten Zustand die Konfiguration \(1s^2 2s^1 2p^3\).
\(\ce{N+}\) hat 6 Elektronen, Grundzustand \(1s^2 2s^2 2p^2\). Hebt man ein 2s-Elektron nach 2p, ergibt sich \(1s^2 2s^1 2p^3\).
Aussage 2
Singulett-Sauerstoff ist paramagnetisch, weil er energiereicher ist als Triplett-Sauerstoff.
Singulett-Sauerstoff hat nur gepaarte Elektronen und ist diamagnetisch. Paramagnetisch ist der Triplett-Sauerstoff des Grundzustands.
Aussage 3
In einem diamagnetischen Stoff induziert ein äußeres Magnetfeld ein gleich gerichtetes Feld.
Das induzierte Feld ist dem äußeren entgegengesetzt. Gleichgerichtet richten sich paramagnetische Stoffe mit ungepaarten Elektronen aus.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.