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Wenn Salze wie oder in einem Flammentest erhitzt werden, ist die sichtbare Farbe nicht zufällig. Wärmeenergie kann Elektronen vorübergehend in einen höheren Energiezustand versetzen. Wenn die Elektronen in einen niedrigeren Zustand zurückkehren, emittiert das Atom oder Ion Licht.
OpenStax zeigt im Abschnitt The Bohr Model, wie das Bohr-Modell mit diskreten Energieniveaus das Linienspektrum von Wasserstoff erklärt.
Diskret bedeutet, dass nicht jeder beliebige Energiewert möglich ist. Eine Treppe liefert das passende Bild: Man kann auf der ersten, zweiten oder dritten Stufe stehen, nicht aber frei im Raum dazwischen. Auch Elektronen dürfen im Atom nur bestimmte Energieniveaus einnehmen.
Anregung bedeutet, dass ein Elektron Energie aufnimmt und vorübergehend auf ein höheres Energieniveau wechselt. Beim Zurückkehren wird Energie als Licht frei. Ein echter Flammentest gehört wegen des Erhitzens von Chemikalien nur unter fachgerechter Aufsicht und mit passender Schutzausrüstung durchgeführt.
Die Elektronenkonfiguration beschreibt, wie die Elektronen eines Atoms verteilt sind. Hier verwenden wir ein vereinfachtes Schalenmodell, das sie den Schalen , , und zuordnet.
Für ein neutrales Atom:
Das Symbol steht für die Elektronenzahl, für die Ordnungszahl und damit die Protonenzahl. Ein neutrales Natriumatom mit besitzt also Elektronen.
Dieses vereinfachte Schalenmodell beschränkt sich auf leichte Elemente bis Calcium, also auf . Für schwerere Elemente braucht die moderne Chemie Unterschalen und Orbitale. OpenStax behandelt dieses genauere Modell in Electronic Structure and Electron Configurations.
Wähle unten ein neutrales Atom. Lies zuerst seine Ordnungszahl und verfolge dann die Elektronen von der innersten bis zur äußersten Schale.
Wasserstoff besitzt nur Elektron. Es befindet sich in der Schale .
Im vereinfachten Schalenmodell für die ersten Elemente bis Calcium werden kernnahe Schalen zuerst besetzt. Daraus ergibt sich folgende Reihenfolge:
| Schale | Höchstzahl in diesem Modell | Lesart |
|---|---|---|
| Erste Schale, dem Kern am nächsten. | ||
| Wird nach der Schale gefüllt. | ||
| in diesem Einstiegsmuster | Wird nach der Schale gefüllt. | |
| Beginnt in diesem Muster bei bis | Nimmt die Elektronen nach der Belegung auf. |
Wichtig: In weiterführender Chemie wird die Schale genauer behandelt. Das Muster dient hier als Einstieg für leichte Elemente, nicht als vollständige Füllregel für jedes Element.
Beispiel für Natrium:
Beispiel Chlor:
Die Elektronenkonfiguration zeigt die Anordnung der Elektronen im Grundzustand, also im üblichen stabilen Energiezustand. Ein Linienspektrum entsteht, wenn ein Elektron Energie erhält und dann auf ein niedrigeres Energieniveau zurückkehrt.
Die Energie des emittierten Lichts kann wie folgt geschrieben werden:
Das Symbol bezeichnet das Plancksche Wirkungsquantum, die Frequenz des Lichts, die Lichtgeschwindigkeit und die Wellenlänge. NIST führt die exakten Werte und in der Liste Fundamental Physical Constants.
Die Hauptidee reicht hier aus: Elektronen haben bestimmte Energieniveaus, Änderungen zwischen Energieniveaus erzeugen spezifisches Licht und die Anordnung der Elektronen hilft uns, das Verhalten von Atomen zu verstehen.
Für eine einfache Elektronenkonfiguration hilft immer dieselbe Reihenfolge:
Für neutrales Magnesium:
Die Elektronenkonfiguration von neutralem Magnesium ist also . Von der Ordnungszahl auszugehen ist sicherer als der Versuch, sich direkt eine Konfigurationsliste zu merken.
