Elektronenschalen

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.

OpenStax erklärt im Abschnitt The Bohr Model, wie Bahnen mit festgelegten Energien das Linienspektrum von Wasserstoff erklären.

Ein Gebäude mit mehreren Etagen liefert ein nützliches Bild: Die erste Etage liegt tiefer als die zweite, die zweite tiefer als die dritte. Im Atom geht es allerdings nicht um räumliche Stockwerke, sondern um Energie. Ein kreisförmiges Schalendiagramm ist deshalb eine Skizze der Energieniveaus, keine feste Schiene, auf der Elektronen wie Züge fahren.

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 $n$ steigt auch das Energieniveau.

Die maximale Elektronenzahl in einer Schale berechnet sich mit:

LibreTexts führt die Schalennamen $\mathrm{K}$ bis $\mathrm{Q}$ und ihre Höchstbelegung im Beitrag The Bohr Model of Atoms auf.

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 einführenden Beispiele bis Calcium verwenden wir das vereinfachte Schalenmuster im interaktiven Modell.

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: $2(4)^2 = 32$

Calcium hat die Ordnungszahl $20$ . Das Symbol $Z$ steht für die Ordnungszahl. Weil das Atom neutral ist, besitzt es ebenfalls $20$ Elektronen.

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}

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

Im vereinfachten Schalenmodell für leichte Elemente bis Calcium wird die Schale $\mathrm{M}$ zunächst mit $8$ Elektronen notiert, bevor die übrigen Elektronen die Schale $\mathrm{N}$ beginnen. Nach dem Füllen von $\mathrm{K}$ und $\mathrm{L}$ bleiben bei Calcium $10$ Elektronen. Davon kommen in die Schale $\mathrm{M}$ insgesamt $8$ Elektronen und in die Schale $\mathrm{N}$ die letzten $2$ .

Zwei Aussagen dürfen dabei nicht verwechselt werden.

Aussage	Genaue Bedeutung
Atomhüllen werden als Kreise gezeichnet.	Die Zeichnung hilft dabei, die Energieniveaus darzustellen. Es handelt sich nicht um einen starren physischen Weg.
Die Formel $2n^2$ gibt die maximale Kapazität an.	Es handelt sich nicht um die vollständige Füllreihenfolge für jedes Element. Schwerere Elemente benötigen das Unterschalen- und Orbitalmodell.

OpenStax erklärt, dass Elektronen im modernen Orbitalmodell nach Argon zuerst das Niveau $4s$ und erst danach $3d$ besetzen. Der Abschnitt Electronic Structure of Atoms zeigt die vollständige Einordnung. Hier genügt das vereinfachte Schalenmuster, weil es das Grundprinzip sichtbar macht.

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.

Elektronenschalen

Schalen als Energieniveaus

Elektronenschalen

Schalen als Energieniveaus

Maximale Elektronenkapazität

Schalenmodell für leichte Elemente

Warum Calcium zwei, acht, acht, zwei besitzt

Die Schalen Schritt für Schritt füllen

Warum nicht zwei, acht, zehn?

Grenzen des Modells