Chemie

Die Atomhülle und das Schalenmodell einfach erklärt

Inhaltsverzeichnis:

In diesem Text zeigen wir dir den Aufbau der Hülle des Atoms und erklären die wichtigsten Begriffe zu diesem Thema. 

Was ist die Atomhülle?

Die Atomhülle eines Atoms besteht aus negativ geladenen Elektronen. Wie viele Elektronen sich in der Hülle befinden, hängt von der Anzahl der Protonen im Kern ab. Es befinden sich nämlich genauso viele negativ geladene Elektronen in der Atomhülle wie positiv geladene Protonen im Atomkern. Dadurch ist ein Atom insgesamt ungeladen. Da die Anzahl der Protonen und Elektronen identisch ist, gibt die Ordnungszahl (Kernladungszahl eines Atoms) im Periodensystem $(PSE)$ sowohl die Anzahl der Protonen als auch die Anzahl der Elektronen an. Die Elektronen beeinflussen die Masse eines Atoms kaum. Sie machen lediglich $0,1$% der gesamten atomaren Masse aus.

Beispiel

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Helium $(He)$ hat die Ordnungszahl 2. Das bedeutet, dass ein Atom dieses Elements 2 Protonen und 2 Elektronen besitzt.

Ionen

Die Elektronen eines Atoms umkreisen ihren Kern auf bestimmten Bahnen. Wie dies genau zu verstehen ist, werden wir im Laufe dieses Textes näher erläutern.

In einigen Fällen unterscheidet sich die Anzahl der Protonen ($p^+$) und Elektronen ($e^-$) in einem Atom. Das bedeutet, dass es ein Ungleichgewicht der Ladung gibt. Sind mehr Elektronen als Protonen vorhanden, dann ist das Atom negativ geladen. Man spricht hierbei auch von einem Elektronenüberschuss. Sollte jedoch die Anzahl der Protonen überwiegen, dann verfügt das Atom über eine positive Ladung (Elektronenmangel).

Merke

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Liegt ein Unterschied zwischen der Anzahl der Elektronen und der Protonen vor, so nennt man das Atom auch $Ion$.

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Das Schalenmodell

Um zu verstehen, wie die Atomhülle neutraler (ungeladener) Atome aufgebaut ist, schauen wir uns an, wie sich die Elektronen in der Atomhülle verteilen. Die Elektronen bewegen sich nicht beliebig um den Atomkern. Durch die positiv geladenen Protonen im Inneren des Atoms (Atomkern) werden die Elektronen, die eine negative Ladung haben, angezogen. Je näher sich ein Elektron um den Kern bewegt, desto stärker ist diese Anziehung. Dabei fällt auf, dass einige Elektronen stärker angezogen werden, als andere. Das bedeutet, dass die Elektronen unterschiedlich weit vom Kern entfernt sind.

Wenn man die Laufbahnen der Elektronen betrachtet, lassen sich diese sehr gut mittels Schalen verdeutlichen, die sich um den Kern befinden.

schalenmodell-atom-hauptgruppen-perioden-valenzelektronen-k-l-m-n-schale
 

Wie diese Grafik zeigt, existieren mehrere Schalen um den Atomkern (hier: rot). Die innerste Schale trägt den Kennbuchstaben $K$. Jede weitere Schale ist dann mit fortlaufenden Buchstaben des Alphabets (L, M, N, usw.) betitelt. In jeder Schale gibt es eine maximale Anzahl an Elektronen. Für die K-Schale sind das zwei Elektronen.

Beispiel

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Bei einem Heliumatom, das genau zwei Elektronen $(e^-)$ besitzt, ist demnach die K-Schale vollständig gefüllt.

In die L-Schale passen höchstens acht Elektronen bis sie gefüllt ist und für die M-Schale beträgt die Maximalzahl 18 Elektronen. Hierfür kann man sich eine einfache Formel merken, mit deren Hilfe du die maximale Anzahl der Elektronen einer Schale leicht erschließen kannst.

Merke

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Als Faustformel für die maximale Anzahl der Elektronen in einer Schale kann man sich merken:

Wenn $z$ für die maximale Anzahl der Elektronen einer Schale und $n$ für die Schalennummer (K=1, L=2, usw.) steht, dann gilt:

$z = {2}\cdot{n}^2$

Daraus folgt für unsere Schalen:

$K: {2}\cdot{1}^2 = 2e^- $

$L: {2}\cdot{2}^2 = 8e^-$

$M: {2}\cdot{3}^2 = 18e^-$

$N: {2}\cdot{4}^2 = 32e^-$

Das Befüllen der Schalen

Schauen wir uns den Umgang mit dieser Formel einmal praktisch anhand zwei verschiedener Elemente an: Das Neon – Atom (Ne) hat die Ordnungszahl 10. Das bedeutet, dass sich in der Atomhülle insgesamt 10 Elektronen befinden. Doch wie verteilen sich diese auf die Schalen? Die K – Schale kann gemäß der obigen Formel lediglich zwei Elektronen aufnehmen $( 2\cdot 1^2 = 2)$. Nachdem diese dann vollständig gefüllt ist, werden die restlichen Elektronen auf die weiteren Schalen verteilt. Wenden wir die Formel auf die zweite Schale (L-Schale) an, dann kannst du feststellen, dass in diese acht Elektronen passen und sich somit alle übrigen Elektronen in dieser Schale befinden. Du siehst also, dass im Fall von Neon zwei Schalen vorhanden sind die beide mit der maximalen Anzahl an Elektronen gefüllt sind.

Merke

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Beim Befüllen der Schalen mit Elektronen wird immer von der K - Schale an aufwärts begonnen.

Wenn du dir als weiteres Beispiel das Sauerstoffatom (O, Ordnungszahl 8) anschaust, stellst du fest, dass sich hier 8 Elektronen auf die Schalen verteilen. Da sich in der K – Schale, wie du jetzt ja schon weißt, zwei Elektronen befinden, bleiben für die zweite Schale (L) nur noch sechs Elektronen übrig. Du siehst also, dass die Schalen nicht bei jedem Atom vollständig gefüllt sind.

Valenzelektronen

Die Elektronen in der äußersten Schale nennt man Außenelektronen oder auch Valenzelektronen. Welche chemische Eigenschaft ein Atom besitzt, hängt fast ausschließlich von der Anzahl der Valenzelektronen ab. Daher hat man diese zu Gruppen zusammengefasst. 

Elektronenschalen, Valenzelektronen und das Periodensystem

Die folgende Abbildung zeigt dir, wie man die einzelnen Atomsorten eingeteilt hat.

schalenmodell-tabelle-hauptgruppen-periode-k-l-m-schalen-ordnungszahl-aussenelektronen

Anhand der Anzahl der Valenzelektronen sind die Elemente in sogenannte Hauptgruppen eingeteilt worden. So bedeutet es zum Beispiel, dass ein Atom eines Elements aus der III. Hauptgruppe, drei Elektronen auf der äußersten Schale besitzt. Die einzige Ausnahme findet sich beim Heliumatom, das sich in der VIII. Gruppe befindet, jedoch nur die K – Schale mit zwei Außenelektronen befüllt hat.

Neben den Hauptgruppen ist das Periodensystem (siehe Grafik oben) auch in verschiedene Perioden unterteilt. In jeder Periode befinden sich Atome von Elementen, die die gleiche Anzahl an Schalen haben. Wie du siehst, haben zum Beispiel alle Elemente der II. Periode zwei Schalen (K und L). 

Jetzt weißt du, wie sich die Atomhülle der Elemente zusammensetzt und wie sich die Anordnung im Periodensystem ergibt. Dein neues Wissen kannst du jetzt gerne mit unseren Übungen austesten. Dabei wünsche ich dir viel Spaß und Erfolg!

Übungsaufgaben

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Die Elektronen eines Atoms werden bei der Berechnung der Masse nicht bzw. kaum berücksichtigt. Wie ist dieser Umstand zu begründen?

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Du hast einen Stoff vorliegen, der sich in der vierten Hauptgruppe befindet und in der dritten Periode. Wie viele Elektronen hat ein Atom dieses Stoffes insgesamt in seiner Hülle?

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Welches Paar ist richtig?

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Welche Eigenschaft(en) besitzen alle Atome der Elemente einer Hauptgruppe?

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