Valenzelektronen

Valenzelektronen in chemischen Reaktionen

Beginnen wir mit Calcium. Im vereinfachten Schalenmodell besitzt ein neutrales Calciumatom die Elektronenkonfiguration $2, 8, 8, 2$. Seine Elektronen verteilen sich damit auf die Schalen $\mathrm{K}$, $\mathrm{L}$, $\mathrm{M}$ und $\mathrm{N}$.

Die äußerste besetzte Schale ist $\mathrm{N}$. Sie enthält $2$ Elektronen. Ein Calciumatom besitzt also $2$ Valenzelektronen.

Valenzelektronen sind die Elektronen in der äußersten besetzten Schale eines Atoms.

Wenn Atome Bindungen oder Ionen bilden, teilen, verlieren oder gewinnen sie meist diese äußeren Elektronen. Anzahl und Anordnung der Valenzelektronen beeinflussen daher die Reaktionen eines Elements.

Valenzelektronenmodell

Wähle ein neutrales Atom und lies seine Schalenkonfiguration von links nach rechts. Die Elektronenzahl in der letzten noch besetzten Schale ist die Zahl der Valenzelektronen.

Valenzelektronen aus der äußersten Schale bestimmen

Mit den folgenden Schritten lässt sich die Elektronenzahl in der äußersten besetzten Schale bestimmen.

• Die Schalenkonfiguration des neutralen Atoms notieren.
• Die letzte noch besetzte Schale bestimmen.
• Die Anzahl der Elektronen in dieser letzten Schale ist die Anzahl der Valenzelektronen.

Beispiele:

Für die Valenzelektronen dürfen nicht alle Elektronen addiert werden. Calcium besitzt insgesamt $20$ Elektronen, aber nur $2$ Valenzelektronen, weil ausschließlich die äußerste besetzte Schale zählt.

Muster in derselben Gruppe

Hauptgruppenelemente derselben Gruppe besitzen häufig dieselbe Zahl an Valenzelektronen. Darum können ihre chemischen Eigenschaften ähnlich sein.

Die Tabelle ordnet Wasserstoff bis Francium nach ihrer Schalenbesetzung:

Die Anzahl der besetzten Schalen nimmt innerhalb der Gruppe zu, während die äußerste Schale weiterhin $1$ Elektron enthält. Aus diesem Grund werden Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium in dieselbe Gruppe eingeordnet.

Wasserstoff ist eine Einschränkung dieser Gruppierungsregel: Er besitzt ebenfalls $1$ Valenzelektron, verhält sich aber nicht wie ein typisches Alkalimetall. Die Valenzelektronenzahl gibt einen starken Hinweis auf die Eigenschaften eines Elements. Andere Teile der Atomstruktur spielen ebenfalls eine Rolle.

Verbindung zu chemischen Eigenschaften

An chemischen Reaktionen sind häufig Valenzelektronen beteiligt, also die Elektronen der äußersten Schale. Atome können diese Elektronen verlieren, gewinnen oder teilen.

Kurz gesagt:

• Viele Hauptgruppenmetalle mit $1$ oder $2$ Valenzelektronen geben bei der Ionenbildung Elektronen ab.
• Elemente mit $7$ Valenzelektronen nehmen häufig $1$ Elektron auf oder teilen es in einer Bindung.
• Edelgase wie Helium und Argon besitzen stabile Valenzelektronenkonfigurationen und sind deshalb sehr reaktionsträge.

Für Hauptgruppenelemente lautet das Schnellmuster:

• Gruppe $1$ hat ein $1$ Valenzelektron.
• Gruppe $2$ hat $2$ Valenzelektronen.
• Die Gruppen $13$ bis $18$ haben $3$ bis $8$ Valenzelektronen.

Helium ist eine Ausnahme: Es gehört zur Gruppe $18$, hat aber nur $2$ Valenzelektronen, da seine erste Schale mit $2$ Elektronen voll ist.

Bei Übergangselementen können Elektronen aus der äußersten $s$-Unterschale und aus benachbarten $d$-Unterschalen an Bindungen beteiligt sein. Die einfache Zuordnung über die Gruppennummer liefert deshalb nicht immer eine einzige Valenzelektronenzahl. Die folgenden Beispiele verwenden Hauptgruppenelemente und das einfache Schalenmodell.

Selbstkontrolle an der äußersten Schale

Lies die Schalenkonfiguration und nimm die Elektronenzahl der äußersten besetzten Schale als Valenzelektronenzahl. In den Gruppen 1 und 2 entspricht sie der Gruppennummer. In den Gruppen 13 bis 18 ziehst du 10 von der Gruppennummer ab. Beachte die Ausnahme Helium: 2 Valenzelektronen, aber Gruppe 18.

Die ersten zwanzig Elemente

Die Tabelle enthält die Schalenkonfiguration und die Anzahl der Valenzelektronen für die ersten zwanzig Elemente, damit du ein einzelnes Element nachschlagen und mit seinen Nachbarn in derselben Periode oder Gruppe vergleichen kannst.

Muster der Valenzelektronen innerhalb einer Gruppe

Die Elemente $\mathrm{B}$, $\mathrm{Al}$, $\mathrm{Ga}$, $\mathrm{In}$ und $\mathrm{Tl}$ stehen in Gruppe $13$. Im schnellen Hauptgruppenmuster besitzen sie $3$ Valenzelektronen.

$\mathrm{Na}$ und $\mathrm{K}$ stehen in Gruppe $1$. Nach demselben Muster besitzen beide $1$ leicht abzugebendes Valenzelektron und bilden daher häufig $+1$-Ionen. Argon ist reaktionsträger als Chlor, weil es ein stabiles Valenzoktett besitzt. Ein Oktett bedeutet acht Valenzelektronen, nicht die vollständige Belegung der Schale M mit 18 Elektronen. Chlor nimmt bei der Ionenbildung häufig ein Elektron auf oder teilt Elektronen in kovalenten Bindungen.