Gold: warum es gelb ist

Gold in einer Zeile: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹

Gold hat die Ordnungszahl 79: 79 Protonen im Kern und 79 Elektronen in der Hülle. Wie sich diese Elektronen auf die Orbitale verteilen, schreibt man als Elektronenkonfiguration. Sie sieht kompliziert aus, ist aber nur eine Aufzählung. Hast du das Kapitel ../../../de/atome-und-molekuele/wasserstoffatom/ gelesen, kennst du die Bausteine schon: Zahl = Schale, Buchstabe = Form, hochgestellte Zahl = Elektronen.

Wort für Wort

• [Xe] ist eine Abkürzung für „alle inneren Schalen so wie beim Edelgas Xenon“. Das sind 54 Elektronen in elf Orbital-Sätzen (1s bis 5p). Sie sind voll besetzt und ändern sich bei chemischen Vorgängen nicht.
• 4f¹⁴: die 4. Schale, f-Form, 14 Elektronen. Das f-Paket ist voll und liegt tief im Inneren.
• 5d¹⁰: die 5. Schale, d-Form, 10 Elektronen. Auch voll, aber dicht unter der Außenseite. Diese Elektronen bestimmen die Farbe.
• 6s¹: die 6. Schale, s-Form, 1 Elektron. Es ist das einzige Außenelektron und macht die Chemie des Goldes.

Rechnung: 54 + 14 + 10 + 1 = 79. Ein Orbital-Satz kann höchstens 2 (s), 6 (p), 10 (d) oder 14 (f) Elektronen halten. Gold hat also volle d- und f-Sätze und nur ein halb leeres s.

Was die Knöpfe oben bedeuten

Jeder Knopf über dem Bild ist ein Orbital-Satz von Gold, geschrieben wie in der Konfiguration (zum Beispiel 5d¹⁰). Die hochgestellte Zahl sagt, wie viele Elektronen darin sitzen.

• Innere Schalen [Xe]: 1s bis 5p, die elf Sätze des Edelgas-Rumpfs. Wähle sie, um zu sehen, wie winzig die innersten Schalen sind. Die Maßstabsleiste im Bild zeigt es: Beim 1s-Orbital ist das Bild nur einige Pikometer breit.
• Außen: 4f, 5d und 6s. Hier entscheidet sich, wie Gold aussieht und reagiert.
• Unbesetzt: 6p. Ein Orbital, in dem im Grundzustand kein Elektron sitzt. Es ist nur eine Möglichkeit, die das Atom erst bei Energiezufuhr nutzt.
• Orientierung: bei p, d und f gibt es mehrere Orbitale gleicher Form in verschiedenen Richtungen (3, 5, 7). Sie sind für Gold gleichwertig.
• Relativität: „Mit“ ist die realistische Rechnung. „Ohne“ ist ein Gedankenexperiment: So würde Gold aussehen, wenn es die Relativitätstheorie nicht gäbe. Der Bildausschnitt bleibt gleich, damit man den Unterschied sieht.

Wo in der Natur gibt es diese Orbitale?

• s: überall. Wasserstoff und Helium, aus denen die Sterne bestehen, und die Außenelektronen der Alkalimetalle (Natrium leuchtet in Straßenlampen gelb).
• p: Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die Bausteine des Lebens. Ihre gerichteten Orbitale bilden die Bindungen.
• d: die Übergangsmetalle: Eisen (Blutfarbstoff, Magnete), Kupfer, Gold. Sie sind farbig, magnetisch oder gute Katalysatoren.
• f: die Seltenen Erden: Neodym-Magnete, rote Leuchtstoffe in Bildschirmen (Europium), Verstärker in Glasfaserkabeln (Erbium). Bei Gold liegt der f-Satz tief im Inneren und prägt es nur indirekt.

Ein schwerer Kern, schnelle Elektronen

Der starke Kern beschleunigt die Elektronen der innersten Schale auf etwa 58 % der Lichtgeschwindigkeit (Geschwindigkeit ≈ Z / 137 der Lichtgeschwindigkeit). Nach Einsteins Spezieller Relativitätstheorie wird ein so schnelles Teilchen schwerer, und ein schwereres Elektron bleibt näher am Kern. Das 1s-Orbital schrumpft dadurch um rund ein Fünftel (wähle es oben aus und vergleiche „Mit“ und „Ohne“).

Der Effekt setzt sich nach außen fort. Alle s-Orbitale (und in geringerem Maß die p-Orbitale) müssen zu den inneren s-Orbitalen passen und werden mitgezogen. Das 6s-Orbital mit dem einzelnen Außenelektron zieht sich deutlich zusammen und sinkt in der Energie. Die d- und f-Orbitale schrumpfen nicht, sie weiten sich sogar etwas, weil die zusammengezogenen inneren Schalen die Kernladung besser abschirmen.

Die Grafik zeigt alle Schalen von Gold auf einer logarithmischen Achse. Jede Schale hat ihren eigenen Buckel: K ganz innen (sehr nah am Kern), P ganz außen (das einzelne 6s-Elektron). Ohne die logarithmische Achse wären die inneren Schalen unsichtbar klein.

Warum Gold gelb ist

Die Farbe eines Metalls entsteht dadurch, welches Licht es verschluckt. Im Gold ist es vor allem Licht, das ein Elektron aus dem vollen 5d-Satz in das halb leere 6s hebt. Weil das 6s-Niveau relativistisch absinkt und die 5d-Niveaus steigen, wird der Abstand kleiner: Gemessen sind es beim Metall etwa 2,4 eV. Das entspricht Licht um 520 nm, blaugrün bis blau. Das wird geschluckt, das restliche Licht (Rot, Orange, Gelb) wird zurückgeworfen. Wir sehen Gold deshalb gelb.

Ohne Relativität wäre der Abstand deutlich größer. Das Licht müsste im Ultraviolett liegen, im Sichtbaren fehlte nichts, und Gold wäre silbrig weiß wie Silber. Das ist die verbreitete Erklärung in der Fachliteratur.

Gold, Silber und Kupfer im Vergleich

Metall	Konfiguration	Beginn der Lichtabsorption (d → s)	Farbe
Kupfer (Z = 29)	[Ar] 3d¹⁰ 4s¹	ca. 2,1 eV, etwa 590 nm	rötlich
Silber (Z = 47)	[Kr] 4d¹⁰ 5s¹	ca. 3,9 eV, im Ultraviolett	silbrig
Gold (Z = 79)	[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹	ca. 2,4 eV, etwa 520 nm	gelb

Alle drei haben dieselbe äußere Anordnung (volle d-Schale, ein s-Elektron). Silber hat keine nennenswerten Relativitätseffekte, deshalb ist sein Abstand groß. Gold liegt dank der Relativität niedriger und nimmt blaues Licht auf.

Warum Gold kaum rostet

Das zusammengezogene 6s-Orbital ist fest an den Kern gebunden. Gold gibt sein Elektron schwerer ab als Silber (erste Ionisierungsenergie 9,2 eV gegenüber 7,6 eV) und nimmt sogar gern eines auf: Seine Elektronenaffinität ist mit 2,3 eV die höchste unter den Metallen. Es gibt deshalb Verbindungen mit negativ geladenem Gold, zum Beispiel Cäsiumaurid (CsAu). Gold reagiert kaum mit Sauerstoff, Säuren oder Wasser und bleibt über Jahrtausende glänzend. Es ist ein Edelmetall. Ein Verwandter ist Quecksilber (Z = 80): Auch dort liegt das 6s-Paar tief und bindet kaum an Nachbaratome, deshalb ist es bei Zimmertemperatur flüssig.

Wie diese Bilder entstehen

Die Orbitale stammen aus einer eigenen Atomrechnung (Dichtefunktional mit Austauschanteil). Sie wird einmal nach den Gesetzen der klassischen Quantenmechanik gelöst und einmal mit den Korrekturen der Relativitätstheorie (skalar-relativistisch, ohne Spin-Bahn-Kopplung). Der Bildausschnitt wird für jedes Orbital automatisch gewählt (siehe Maßstab im Bild), bei „Mit“ und „Ohne“ aber gleich gehalten. Die Rechnung ist eine Näherung: Orbitalenergien sind keine Messwerte, Spin-Bahn-Kopplung und Elektronenkorrelation fehlen. Richtung und Größe der relativistischen Verschiebungen stimmen aber mit genaueren Rechnungen überein.

Denkfragen

Was bedeutet „5d¹⁰“?

5 ist die Schale, d die Form (Kleeblatt) und die hochgestellte 10 die Zahl der Elektronen. Fünf d-Orbitale mit je zwei Elektronen sind voll besetzt.

Wie viele Elektronen hat Gold außerhalb des [Xe]-Rumpfs?

25: 14 im 4f, 10 im 5d und eins im 6s. Zusammen mit den 54 des Rumpfs sind es 79.

Welche Orbitale ziehen sich durch die Relativität zusammen, welche weiten sich auf?

s-Orbitale (und in geringerem Maß p-Orbitale) schrumpfen, weil ihre Elektronen dem Kern nahekommen. d- und f-Orbitale weiten sich auf, weil die zusammengezogenen inneren Schalen die Kernladung stärker abschirmen. Du siehst es an den Zahlen unter dem Bild.

Warum wäre Gold ohne Relativität silbrig?

Der Abstand zwischen 5d und 6s wäre größer und das absorbierte Licht läge im Ultraviolett. Dann fehlt im sichtbaren Licht nichts Bestimmtes, und das Metall erscheint wie Silber weiß.

Weiter geht es mit einem Molekül: Wasser. Zurück: Wasserstoffatom.

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Stand: 2026-10-03