sind negative Ionen moeglich?

[wolfgang6444]

Irgendwie hat sich in meinem Kopf die vermutlich voellig falsche Vorstellung festgesetzt, dass der (elektrisch) neutrale Zustand eines Atoms energetisch der guenstigste sein muesse und negative Ionen -wegen der Coulombabstossung der e- eigentlich nur meoglich sind, wenn wie etwa im Halogenid-Kristall der energetische 'Nachteil' durch einen energetischen 'Vorteil' aufgewogen wird. "Das Elektron ist halt lieber beim Chlor-Kern als beim Natrium Kern".
Etwas praeziser forumilert:
Kann im Vakuum ein negativ geladenes Ion etwa H- einen Zustand geringerer Energie annehmen, als ein neutrales H-Atom mit einem e- in der Unendlichkeit? Bis zu welcher negativen Ladung geht das? Welchen Einfluss hat die Kernladung.
Was mir schon klar ist:
Wenn man das klassisch betrachtet (ich weiss, das geht bei Atomphysik meistens schief), kann man zum Beispiel vergleichen:
Proton mit einem e- auf Kreisbahn, zweites e- im Unendlichen
mit:
Proton mit zwei e- auf gleicher Kreisbahn 180Grad gegenueber zueinander.
Dann wuerde durch das zweite e- die Anziehung des Kerns auf das erste geschwaecht (Richtung bleibt), aber eine stabile Bahn waere sicher moeglich.
Das Problem an dieser klassischen Betrachtung:
Der Bahnradius in beiden Betrachtungen waere unterschiedlich. Welche Radien sollte man denn annehmen? Das ist ja entscheidend fuer die Energie. Quantenmechanisch gibt es eine untere Grenze fuer Bahnradius und Energie.

Kommentare/Meinungen?

[Timm]

Zitat von wolfgang6444

Irgendwie hat sich in meinem Kopf die vermutlich voellig falsche Vorstellung festgesetzt, dass der (elektrisch) neutrale Zustand eines Atoms energetisch der guenstigste sein muesse und negative Ionen -wegen der Coulombabstossung der e- eigentlich nur meoglich sind, wenn wie etwa im Halogenid-Kristall der energetische 'Nachteil' durch einen energetischen 'Vorteil' aufgewogen wird. "Das Elektron ist halt lieber beim Chlor-Kern als beim Natrium Kern". ...

Ich bin nicht sicher, ob ich dein Problem verstehe. Es ist ja richtig, daß der neutrale Zustand eines isolierten Atoms der energieärmste ist. In Gegenwart von potentiellen Reaktionspartnern gilt das nicht. Wenn etwa im Fall von Cl mit der Aufnahme eines Elektrons die Edelgaskonfiguration von Argon erreicht wird, ist der Zustand H+Cl- (Abkürzung HCl) energieärmer als der Zustand H und Cl separiert vor der Reaktion.

Im letzten Absatz ist wohl der Atomkern gemeint. Die Vorstellung von Kreisbahnen trifft nicht zu. Das 1S-Orbital des H Atoms zeigt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons. Man spricht manchmal von "verschmiert". Jedenfalls ist das Elektron nicht an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt zu finden.

[Hawkwind]

Zitat von wolfgang6444

Irgendwie hat sich in meinem Kopf die vermutlich voellig falsche Vorstellung festgesetzt, dass der (elektrisch) neutrale Zustand eines Atoms energetisch der guenstigste sein muesse und negative Ionen -wegen der Coulombabstossung der e- eigentlich nur meoglich sind, wenn wie etwa im Halogenid-Kristall der energetische 'Nachteil' durch einen energetischen 'Vorteil' aufgewogen wird. "Das Elektron ist halt lieber beim Chlor-Kern als beim Natrium Kern".
Etwas praeziser forumilert:
Kann im Vakuum ein negativ geladenes Ion etwa H- einen Zustand geringerer Energie annehmen, als ein neutrales H-Atom mit einem e- in der Unendlichkeit? Bis zu welcher negativen Ladung geht das? Welchen Einfluss hat die Kernladung.
Was mir schon klar ist:
Wenn man das klassisch betrachtet (ich weiss, das geht bei Atomphysik meistens schief), kann man zum Beispiel vergleichen:
Proton mit einem e- auf Kreisbahn, zweites e- im Unendlichen
mit:
Proton mit zwei e- auf gleicher Kreisbahn 180Grad gegenueber zueinander.
Dann wuerde durch das zweite e- die Anziehung des Kerns auf das erste geschwaecht (Richtung bleibt), aber eine stabile Bahn waere sicher moeglich.
Das Problem an dieser klassischen Betrachtung:
Der Bahnradius in beiden Betrachtungen waere unterschiedlich. Welche Radien sollte man denn annehmen? Das ist ja entscheidend fuer die Energie. Quantenmechanisch gibt es eine untere Grenze fuer Bahnradius und Energie.

Kommentare/Meinungen?

Fakt ist, negative Wasserstoff-Ionen existieren: das sind H-Atome mit einem zusätzlichen Elektron (sog. Hydride). Es gibt ja nun auch Zustände (Orbitale) in Hülle und Fülle, die dafür zur Verfügung stehen:

[Bernhard]

Hallo Hawkwind,

Zitat von Hawkwind

Es gibt ja nun auch Zustände (Orbitale) in Hülle und Fülle, die dafür zur Verfügung stehen:

das sind doch die Energiestufen für das erste Elektron. Das Coulomb-Potential wird aber durch das erste Elektron sehr gut abgeschirmt, so dass ein zweites, entferntes Elektron näherungsweise auf ein neutrales Wasserstoffatom ohne Potential trifft (Abschirmung des Coulomb-Feldes).

Die Berechnung der zweiten Bindungsenergie erfordert also einige Tricks. Ich erinnere mich da entfernt an die Hartree-Fock-Methode.

[Hawkwind]

Zitat von Bernhard

Hallo Hawkwind,


das sind doch die Energiestufen für das erste Elektron. Das Coulomb-Potential wird aber durch das erste Elektron sehr gut abgeschirmt, so dass ein zweites, entferntes Elektron näherungsweise auf ein neutrales Wasserstoffatom ohne Potential trifft (Abschirmung des Coulomb-Feldes).

Die Berechnung der zweiten Bindungsenergie erfordert also einige Tricks. Ich erinnere mich da entfernt an die Hartree-Fock-Methode.

Stimmt, das war etwas naiv von mir: das Viel-Teilchen-System kann nicht so simpel behandelt werden. Danke für den Hinweis!

[TomS]

Das einfach negativ geladene H¯ sollte sich identisch zum He° berechnen lassen. Konkret wäre das dann ein H¯ mit zwei antiparallelen Elektronenspins im 1s, oder mit zwei parallelen Spins im 1s und 2s.

https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_anion

[Bernhard]

Zitat von TomS

Das einfach negativ geladene H¯ sollte sich identisch zum He° berechnen lassen.

Korrekt: https://de.wikipedia.org/wiki/Heliumatom. Wenn man die Kernladungszahl Z anpasst, passt das Modell.

Genau wie beim Helium sollte es also auch eine Art "Para-H-" und ein "Ortho-H-" geben (?)

[TomS]

Hier ist ein ganz interessanter Artikel. Sie starten mit separablen Wellenfunktionen für unabhängige Elektronen, nehmen dann den Abstoßungsterm hinzu sowie weitere Korrekturen.

http://web.ift.uib.no/AMOS/PHYS261/H...2013.12.04.pdf


Recht umfassend sieht das hier aus, insbs. weil auch Näherungsmethoden diskutiert werden, die mathematisch recht einfach zugänglich und einigermaßen anschaulich sind:

https://arxiv.org/pdf/0907.2614.pdf

Ich finde insbs. die 1/Z-Entwicklung interessant; jedenfalls ist existieren gebundenen Zustände auch für Z < 1. Das Bild eines stark gebundenen ungestörten Elektrons im 1s sowie eines nur schwach gebundenen zweiten Elektrons halte ich für fragwürdig, wenn man antiparallelel Spins betrachtet.