Grundlagen der Quantenmechanik und Statistik - Theoretische ...

4.2. Das Periodensystem der Elemente
Pauli-Prinzip (Pauli 1925)
In einem System von identischen Fermionen können bei einer Messung nie zwei Teilchen
in allen Quantenzahlen übereinstimmen.
Dieses Prinzip ist grundlegend für das Verständnis des Aufbaus der Atomhüllen und
somit für das Periodensystem der Elemente.
4.2. Das Periodensystem der Elemente
Die maximale Anzahl der Elektronen pro Schale ergibt sich aus der Zahl der möglichen
Kombination verschiedener Quantenzahlen zu 2n 2 (siehe Bemerkung 3.5.7). Da
infolge der gegenseitigen Wechselwirkung der Elektronen in der Atomhülle nicht nur
die Entartung der Energieniveaus aufgehoben wird, sondern auch E n,l > E n+1,0 werden
kann, werden nicht alle Schalen nacheinander aufgefüllt, sondern die „Auffüllung“
erfolgt gemäß der jeweils günstigsten Energieverteilung. Dennoch bleibt eine
(„Quasi-“)Periodizität erhalten, die sich in ähnlichen chemischen Eigenschaften verschiedener
Elemente manifestiert:
◮ Vollbesetzung der jeweils äußersten Schale oder ihrer energetisch günstigsten
p- und s-Zustände hat erhöhte Stabilität (d. h. chemische Reaktionsträgheit) zur
Folge
ˆ= Edelgase ( 2 He, 10 Ne, 18 Ar, 36 Kr, 54 Xe, 96 Rn)
◮ Fehlen nur ein oder zwei Elektronen einer solchen Edelgaskonfiguration, nimmt
das Atom bei chemischen Reaktionen bevorzugt Elektronen auf
ˆ= Halogene mit sieben Elektronen in der äußersten Schale
( 9 F, 17 Cl, 35 Br, 53 J, 85 At)
ˆ= Chalkogene mit sechs Elektronen in der äußersten Schale
( 8 O, 16 S, 34 Se, 52 Te, 84 Po)
◮ Ist die äußerste Schale nur mit einem oder zwei Elektronen besetzt, werden diese
bevorzugt abgegeben
ˆ= Alkali-Metalle mit einem Elektron in äußersten Schale
( 3 Li, 11 Na, 19 K, 37 Rb, 55 Cs, 87 Fr)
ˆ= Erdalkali-Metalle mit zwei Elektronen in äußerster Schale
( 4 Be, 12 Mg, 20 Ca, 38 Sr, 56 Ba, 88 Ra)
Die Elemente mit drei bis fünf Elektronen in der äußersten Schale bilden die Erdmetalle,
Kohlenstoff-Silizium-Gruppe und die Stickstoff-Phosphor-Gruppe. Zusammen bilden
diese acht die Hauptgruppen.
– 69 –