Elektronenstrukturen

Elektronenstrukturen bezeichnen die Verteilung von Elektronen in Atomen und Molekülen nach dem quantenmechanischen Modell. Sie bestimmen Energieniveaus, Orbitale und Elektronendichte und damit chemische Eigenschaften wie Bindungsverhalten, Reaktivität und Spektren. Elektronen füllen Orbitale gemäß dem Aufbauprinzip: Hauptquantenzahl n, Nebenquantenzahl ℓ, magnetische mℓ und Spin ms. Die Pauli-Ausschlussregel verhindert Doppelbelegungen, während Hundsche Regel maximale Multiplizität bevorzugt. Die Elektronenkonfiguration wird oft in der Kurznotation angegeben, z. B. 1s^2 2s^2 2p^6 für Neon. In mehrelektrigen Atomen führen Abschirmung und feine Wechselwirkungen zu komplexeren Energieabständen, weshalb reale Orbitale oft von einfachen Hydrogen-ähnlichen Modellen abweichen.

Moleküle bilden Molekülorbitale durch Überlappung atomarer Orbitale. Die resultierenden MOs beschreiben Bindung, Antibindung, Energieverteilung und Elektronendichte im Molekül. So erklären sie Stabilität, Geometrie und Spektren. Vor allem Valenzelektronen bestimmen Reaktivität und chemische Bindungen. Zur Berechnung der Elektronenstruktur werden Modelle wie Hartree-Fock, Korrelationen (Post-HF) und Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet. Das Vielelektronenproblem erfordert Approximationen; exakte Lösungen existieren nur für das Mehr-Elektronensystem in sehr vereinfachten Fällen. Relativistische Korrekturen werden in schweren Atomen berücksichtigt. Ergebnisse liefern Orbitalformen, Besetzungen und Energieniveaus, die man für Periodensystem-Trends, Magnetismus und Materialeigenschaften heranzieht.

Anwendungen der Elektronenstrukturen reichen von der Interpretation von Spektren bis zur Vorhersage von Reaktivität und Materialverhalten. Zentrale Größen sind Ionisierungsenergien, Elektronegativität und Verteilungsprofile der Elektronen.