Elektronenschalen

Schalen als Energieniveaus

Im einfachen Bohr-Modell werden Elektronen in $Elektronenschalen$ dargestellt. Jede Schale steht für ein bestimmtes Energieniveau um den Kern. Je näher eine Schale am Kern liegt, desto niedriger ist ihre Energie.

Das Bohrsche Modell nutzt $Bahnen mit festgelegten Energien$ , um das Linienspektrum von Wasserstoff zu erklären.

In einem Schalendiagramm steht jeder Kreis für ein Energieniveau. Die Kreise sind keine festen Bahnen, auf denen Elektronen laufen. Sie zeigen nur die Anordnung der Energieniveaus im einfachen Modell.

Die Schalen tragen Buchstabennamen:

Schale	Schalennummer
$\mathrm{K}$	$n = 1$
$\mathrm{L}$	$n = 2$
$\mathrm{M}$	$n = 3$
$\mathrm{N}$	$n = 4$
$\mathrm{O}$	$n = 5$
$\mathrm{P}$	$n = 6$
$\mathrm{Q}$	$n = 7$

Die Buchstaben $\mathrm{K}$ bis $\mathrm{Q}$ benennen die Schalen. Der Wert $n$ ist die $Schalennummer$ . Mit größerem $n$ liegt die Elektronenschale im Allgemeinen weiter vom Kern entfernt und besitzt eine höhere Energie.

Maximale Elektronenkapazität

Die Schalen heißen $\mathrm K$ bis $\mathrm Q$ . Für die Schalennummer $n$ beträgt die maximale Kapazität $2n^2$ . Setze die Schalennummer ein, um die jeweilige Obergrenze zu berechnen:

Schale	Schalennummer	Maximale Elektronenzahl nach $2n^2$
$\mathrm{K}$	$1$	$2(1)^2 = 2$
$\mathrm{L}$	$2$	$2(2)^2 = 8$
$\mathrm{M}$	$3$	$2(3)^2 = 18$
$\mathrm{N}$	$4$	$2(4)^2 = 32$
$\mathrm{O}$	$5$	$2(5)^2 = 50$
$\mathrm{P}$	$6$	$2(6)^2 = 72$
$\mathrm{Q}$	$7$	$2(7)^2 = 98$

Das Wort $maximal$ ist entscheidend. Die Schale $\mathrm{M}$ kann bis zu $18$ Elektronen aufnehmen. Daraus folgt aber nicht, dass jedes Atom die Schale $\mathrm{M}$ erst vollständig mit $18$ Elektronen füllt, bevor die nächste beginnt. Für die Beispiele bis Calcium verwenden wir das vereinfachte Schalenmuster im interaktiven Modell.

Schalenmodell für leichte Elemente

Wähle ein neutrales Atom. Bei einem neutralen Atom entspricht die $Elektronenzahl der Ordnungszahl$ . Lies anschließend ab, wie sich die Elektronen auf die Schalen $\mathrm{K}$ , $\mathrm{L}$ , $\mathrm{M}$ und $\mathrm{N}$ verteilen.

Atomhüllenmodell

Das Diagramm zeigt das vereinfachte Schalenmodell für neutrale Atome bis Calcium. Unterscheide dabei die tatsächliche Belegung einer Schale von ihrer maximalen Kapazität nach

2n^2

Calcium besitzt $20$ Elektronen. Sein vereinfachtes Schalenmuster lautet daher $2, 8, 8, 2$ .

Ordnungszahl: $Z = 20$
Konfiguration: $2, 8, 8, 2$
Äußerste Schale: $\mathrm{N}$
Kapazität: $2(4)^2 = 32$

Elektronenkonfiguration von Calcium

Calcium hat die Ordnungszahl $20$ . Das Symbol $Z$ steht für die Ordnungszahl. Weil das Atom neutral ist, besitzt es ebenfalls $20$ Elektronen. Fülle die Schalen der Reihe nach von der $niedrigsten Energie$ an und notiere die Elektronenzahl jeder Schale.

Die Schalen Schritt für Schritt füllen

Die Füllschritte im $einfachen Schalenmodell$ sind:

\begin{aligned} \mathrm{Ca}: Z &= 20 \\ e^- &= 20 \\ \mathrm{K} &: 2 \quad \text{übrig } 18 \\ \mathrm{L} &: 8 \quad \text{übrig } 10 \\ \mathrm{M} &: 8 \quad \text{übrig } 2 \\ \mathrm{N} &: 2 \quad \text{übrig } 0 \end{aligned}

Füllreihenfolge der Schalen M und N

Eine häufige Frage ist: Warum nicht $2, 8, 10$ ?

Im Grundzustand von Calcium besetzen die Elektronen die Unterschale $4s$ vor $3d$ . Die Zahl vor dem Buchstaben bezeichnet die Hauptschale: $4s$ gehört zur Schale $\mathrm N$ , $3d$ zur Schale $\mathrm M$ . Die Schale N wird also besetzt, bevor die Schale M ihre Höchstbelegung erreicht.

Nach den Schalen K und L bleiben $20-2-8=10$ Elektronen. Acht besetzen die bereits bei Argon belegten Bereiche der Schale M, die nächsten zwei die Unterschale 4s. Daraus folgt die $Grundzustandskonfiguration$ $2,8,8,2$ .

Grenzen des Modells

Zwei Aussagen dürfen dabei nicht verwechselt werden.

Aussage	Genaue Bedeutung
Atomhüllen werden als Kreise gezeichnet.	Die Zeichnung stellt Energieniveaus dar. Elektronen bewegen sich nicht auf einer starren Kreisbahn.
Die Formel $2n^2$ gibt die maximale Kapazität an.	Die maximale Kapazität unterscheidet sich von der Reihenfolge, in der Elektronen die Schalen füllen. Für schwerere Elemente braucht man das Unterschalen- und Orbitalmodell.

Im modernen Orbitalmodell besetzen Elektronen nach Argon zuerst das Niveau $4s$ und danach $3d$ . Das interaktive Modell oben zeigt mit einem einfachen Schalenmuster die Elektronenzahl in jeder Schale. Eine genauere Konfiguration verwendet die moderne Auffüllreihenfolge der Orbitale.

Die äußerste Schale führt auch zur Vorstellung von Valenzelektronen. Elektronen in der äußersten Schale werden $Valenzelektronen$ genannt und haben großen Einfluss darauf, ob ein Atom dazu neigt, Ionen oder chemische Bindungen zu bilden.