Hi Leute!
Kann mir jemand erklären, warum bei schweren Elementen wie
Blei und Thallium die 6s-Elektronen inert sind, warum diese beiden Metalle also in der Oxidationszahl +2(Pb), bzw. +1(Tl) stabiler sind, im Gegensatz zu ihren leichteren Homologen? Es hat wohl etwas mit der aufgefüllten f-Schale zu tun, aber wie kann ich mir diesen Effekt vorstellen?
lars
Ob ein Elektron zur Bindung benutzt (abgegeben) werden kann, hängt davon ab, wie stark es gebunden ist. Um ein Elektron zu entfernen, benötigt man die Ionisierungsenergie, die logischerweise größer ist bei stärker gebundenen Elektronen. Deshalb gibt es ja den Unterschied zwischen "Rumpf" und "Valenzschale".
Entscheidend ist die Coulomb-Kraft. Die Anziehung steigt proportional zur Kernladung und umgekehrt proportional zum Radienquadrat.
Mit steigender Kernladung werden die Elektronen stärker angezogen, der Radius wird kleiner und die Ionisierungsenergie wird zu groß, um die Energie, die zum Entfernen des Elektrons notwendig ist, später durch die Bindungsenergie (bzw. Gitterenergie - Born-Haber-Kreisprozess) zu kompensieren.
Entscheidend ist aber nicht der absolute Wert der Kernladung (dann könnten schwerere Metalle überhaupt keine Bindungen eingehen), sondern die sogenannte "effektive Kernladung", also der Anteil der Kernladung, die die äußeren Elektronen wirklich spüren, denn der größte Teil der Gesamtkernladung wird durch die inneren Elektronen abgefangen, man spricht von "Abschirmung".
Man kann sich nun leicht vorstellen, dass die Kernladung besonders von den Elektronen abgeschirmt wird, die sich kugelförmig um den Kern bewegen und somit keine "Schlupflöcher" für die Kernladung offenlassen. Dies ist der Grund, warum s-Elektronen die Kernladung am besten abschirmen, gefolgt von den p-Elektronen, dann die d-Elektronen und schließlich die f-Elektronen. In der Reihe p-d-f werden die Orbitale immer mehr aufgefächert, sie sind immer mehr in den Raum hineingerichtet, anstatt gleichmäßig um den Kern verteilt.
Lange Rede, kurzer Sinn, d-Elektronen schirmen die Kernladung weniger stark ab, als p-Elektronen und am schlechtesten die f-Elektronen. Mit anderen Worten: Bei einem Anstieg der Kernladung um 1 spürt das neu hinzugekommene Elektron eine stärkere Anziehung. Dies ist der Grund dafür, dass in der d-Reihe (Übergangsmetalle) der edle Charakter der Metalle zunimmt und die Atomradien abnehmen.
Am stärksten ist der Effekt in der 5. und 6. Periode, weil hier eben erstmals die wenig abschirmenden f-Orbitale aufgefüllt werden.
Im Verlauf der 5. und 6. Periode nimmt also die Kernladung immer um eine Einheit zu, während diese eine Einheit der Kernladung durch das Auffüllen mit jeweils einem d- oder f-Elektron nur wenig abgeschirmt wird.
Für Thallium bedeutet das, dass seine 3 Valenzelektronen stark angezogen werden und es sie am liebsten behalten möchte - im Gegensatz zum Aluminium. Dass das Thallium trotzdem in der Oxidationstufe +I vorkommt, liegt wieder daran, dass das p-Elektron durch die beiden s-Elektronen (kugelförmig->hohe Abschirmungsfähigkeit) abgeschirmt wird und sein Entfernen nicht zu viel Energie kostet, während die Ionisierungsenergie für die beiden s-Elektronen zu hoch ist.
Man nennt diesen Effekt "inert pair effect" oder deutsch: "Effekt des inerten Elektronenpaares"
Dieser Effekt bewirkt nicht nur, dass innerhalb der Hauptgruppen 3-8 die Stabilität der höheren Oxidationsstufe abnimmt, sondern auch, dass Verbindungen der schwereren HG-Elemente nicht mehr hybridisiert sind (also NH3 ist sp3-Hybridisiert, die Bindungswinkel sind tetraedrisch, PH3 ist nicht hybridisiert, die P-H-Bindungen werden durch p-Orbitale gebildet (Winkel 90°) und das freie Elektronenpaar ist das s-Orbital).
Die beiden s-Elektronen sind einfach nicht mehr so gut für Bindungen zu verwenden, weil sie zu stark vom Kern angezogen werden, sie sind also inert.
Ein wenig lang, aber ich hoffe, so ist der Effekt verständlich.
[This message has been edited by a little green alien (edited 31-11-2628).]
[This message has been edited by Dirk (edited 13-11-2000).]
Vielen Dank, die Antwort war sehr hilfreich.
lars
Alisha000
09.10.2006, 10:41
Na endlich habe ich es verstanden. Vielen Dank. Überall werden die Begriffe nur kurz erwähnt, nie erklärt.
Jetzt geht mir ein Licht auf!! :jump_yellow:
C. Iulius Caesar
10.10.2006, 15:53
Einige Dinge füge ich noch hinzu, um maximale Erkenntnis zu erlangen: ;-)
Der "inert-pair-effekt" der 5s und 6s Elektronen beruht NICHT auf der Ionsierungsenerergie, denn die ist sogar beim 4s Elektronenpaar größer.
Bleiben noch die relativistischen Effekte zu erläutern:
Aufgrund der zunehmenden Atommasse werden jj-Kopplung und relativistische Effekte immer wichtiger. Bei hohen Kernladungen bewegen sich s-Elektronen mit hoher Geschwindigkeit (bei 1s e des Hg-Atoms z.B. mit 50 % der Lichgeschwindigkeit) um den Kern. Das führt nach Einstein dazu, dass ihre Masse zunimmt und die Orbitale (s und in geringerem Umfang auch p) kontrahieren, während die d- und f-Orbitale expandieren. Dies ist nicht paradox, da sich d- und f-Elektronen nicht so sehr in Kernnähe befinden und deshalb ist bei ihnen der relativistische Einfluß gering. Die Zunahme der Abschirmung der d und f Elektronen durch die s und p Elektronen führt zu einer Kompensation der Zunahme der effektiven Kernladung. s und p Elektronen werden in Richtung des Kerns verschoben und daher stabilisiert.
Das meiste kam aber schon bei Dirk sehr richtig rüber. Ist ja fast nur noch Wiederholung, was ich hier bringe :)
Liebe Grüße,
C. Iulius Caesar