Valenzelektronen

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. OpenStax erklärt in Electronic Structure of Atoms, warum gerade diese Elektronen bei chemischen Reaktionen eine zentrale Rolle spielen.

Weil sie außen liegen, sind Valenzelektronen besonders häufig beteiligt, wenn ein Atom Bindungen eingeht, Elektronen abgibt oder Elektronen aufnimmt. Das bedeutet nicht, dass sie von selbst davonfliegen. Es bedeutet, dass die äußere Elektronenstruktur die Reaktionsweise des Atoms stark prägt.

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 schnell bestimmen

Eine feste Reihenfolge verhindert Verwechslungen.

• 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. OpenStax erklärt diesen Zusammenhang in Periodic Variations in Element Properties.

Die folgende Tabelle macht das Muster sichtbar.

Die Tabelle zeigt die Schlüsselidee: Obwohl die Anzahl der besetzten Schalen in der Gruppe zunimmt, enthält die äußerste Schale immer noch $1$ Elektron. Aus diesem Grund werden Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium in dieselbe Gruppe eingeordnet.

Wasserstoff ist eine wichtige Einschränkung: Er besitzt ebenfalls $1$ Valenzelektron, verhält sich aber nicht wie ein typisches Alkalimetall. Die Valenzelektronenzahl ist ein starker Hinweis, nicht die einzige Erklärung für die Eigenschaften eines Elements.

Verbindung zu chemischen Eigenschaften

Valenzelektronen sind wichtig, da an chemischen Reaktionen häufig die äußeren Elektronen beteiligt sind. Atome können Valenzelektronen 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 eine gefüllte äußerste Schale 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 wichtige Ausnahme: Helium gehört zur Gruppe $18$, hat aber nur $2$ Valenzelektronen, da seine erste Schale voll mit $2$ Elektronen ist.

Bei Übergangselementen kann das Zählen der Valenzelektronen komplizierter sein, da $d$-Unterschalen von Bedeutung sein können. Diese Diskussion konzentriert sich auf Hauptgruppenelemente und das einfache Schalenmodell.

Selbstkontrolle an der äußersten Schale

Die Liste dient als Kontrolle: In jeder Schalenkonfiguration gibt die Zahl ganz rechts die Valenzelektronenzahl an.

Die ersten zwanzig Elemente

Erkennbare Muster

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

Darum bilden $\mathrm{Na}$ und $\mathrm{K}$ häufig $+1$-Ionen: Beide besitzen $1$ leicht abzugebendes Valenzelektron. Argon ist deutlich reaktionsträger als Chlor, weil seine äußerste Schale bereits gefüllt ist, während Chlor noch $1$ weiteres Elektron zum vollen Schalenmuster benötigt.