Mit Google fortfahren
Elektron: Ladung, Atomhülle und Schalenmodell
Ein Elektron ist ein negativ geladenes Elementarteilchen. Elektronen bilden die Atomhülle, bestimmen wesentlich das chemische Verhalten und ermöglichen elektrische Leitfähigkeit. Auf dieser Seite lernst du, Elektronenzahlen zu bestimmen, Ionen zu erklären und das Schalenmodell mit seinen Grenzen anzuwenden.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was macht ein Elektron besonders?
Elektronen befinden sich in der Atomhülle. Zusammen mit dem positiv geladenen Atomkern bilden sie ein Atom.
Elektron
Ein Elektron ist ein negativ geladenes Elementarteilchen. Sein Symbol ist $e^-$. Es gehört zur Teilchenfamilie der Leptonen und besitzt den Spin $\frac{1}{2}$.
Experimente zeigen bisher keine innere Struktur des Elektrons. Deshalb wird es als Elementarteilchen behandelt. Sein positiv geladenes Antiteilchen heißt Positron und trägt das Symbol $e^+$.
Elektronen sind viel leichter als Protonen: Ein Proton besitzt ungefähr die 1836-fache Elektronenmasse. Daher steckt fast die gesamte Masse eines Atoms im Kern.
| Teilchen | Ladung | Ort im Atom | Aufbau |
|---|---|---|---|
| Elektron | negativ | Atomhülle | Elementarteilchen |
| Proton | positiv | Atomkern | aus Quarks aufgebaut |
| Neutron | neutral | Atomkern | aus Quarks aufgebaut |
Wie hängen Elektronenzahl und Ladung zusammen?
Bei einem neutralen Atom gleichen sich positive und negative Ladungen aus. Deshalb besitzt es gleich viele Protonen wie Elektronen.
$$\text{Protonenzahl}=\text{Elektronenzahl}$$
Die Ordnungszahl eines Elements gibt seine Protonenzahl an. Für ein neutrales Atom nennt sie damit zugleich die Elektronenzahl.
Ein Ion entsteht, wenn ein Atom oder Molekül Elektronen aufnimmt oder abgibt. Die Protonenzahl im Kern bleibt dabei unverändert.
- Elektronenabgabe erzeugt einen Elektronenmangel und damit ein positives Kation.
- Elektronenaufnahme erzeugt einen Elektronenüberschuss und damit ein negatives Anion.
Ein Teilchen besitzt 11 Protonen und die Ladung $+1$.
Die positive Ladung zeigt: Gegenüber dem neutralen Atom fehlt ein Elektron.
$$11-1=10$$
Das Ion besitzt also 10 Elektronen.
Ein anderes Teilchen besitzt 8 Protonen und die Ladung $2-$.
Die negative Ladung zeigt: Es wurden zwei Elektronen aufgenommen.
$$8+2=10$$
Auch dieses Ion besitzt 10 Elektronen.
Ein Pluszeichen bedeutet Elektronenmangel, ein Minuszeichen Elektronenüberschuss. Das Vorzeichen beschreibt nicht die Ladung eines einzelnen Elektrons: Ein Elektron ist immer negativ geladen.
Wie ordnet das Schalenmodell Elektronen?
Das Schalenmodell fasst Elektronen mit ähnlichen Energien zu Schalen zusammen. Die Schalen heißen von innen nach außen K, L, M und N. Die K-Schale ist die erste Schale.
Für die maximale Elektronenzahl $z_{\max}$ einer Schale mit der Nummer $n$ gilt:
$$z_{\max}=2n^2$$
Damit ergeben sich:
- K-Schale, $n=1$: $2\cdot1^2=2$ Elektronen
- L-Schale, $n=2$: $2\cdot2^2=8$ Elektronen
- M-Schale, $n=3$: $2\cdot3^2=18$ Elektronen
- N-Schale, $n=4$: $2\cdot4^2=32$ Elektronen
Die Formel gibt die höchstmögliche Kapazität einer Schale an. Sie sagt nicht, dass jede vorhandene Schale tatsächlich voll besetzt ist.
Neon besitzt als neutrales Atom 10 Elektronen.
- Die K-Schale nimmt 2 Elektronen auf.
- Es bleiben $10-2=8$ Elektronen.
- Diese 8 Elektronen besetzen die L-Schale.
Die Schalenbelegung lautet 2 | 8. Beide besetzten Schalen sind voll.
Sauerstoff besitzt 8 Elektronen. Nach 2 Elektronen auf der K-Schale bleiben $8-2=6$ Elektronen für die L-Schale. Seine Belegung lautet 2 | 6.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Ein neutrales Atom mit zehn Protonen besitzt Elektronen. Davon liegen im einfachen Schalenmodell auf der K-Schale und auf der L-Schale.
Warum sind Außenelektronen chemisch wichtig?
Die Elektronen der äußersten besetzten Schale heißen Außenelektronen oder Valenzelektronen. Sie sind besonders wichtig für chemische Bindungen und die Bildung vieler einfacher Ionen.
Im vereinfachten Modell der Hauptgruppenelemente gilt für die ersten drei Perioden:
- Die Periodennummer zeigt die Zahl der besetzten Schalen.
- Die Hauptgruppennummer entspricht meist der Zahl der Valenzelektronen.
- Helium ist eine Ausnahme: Seine einzige Schale ist bereits mit zwei Elektronen voll.
Sauerstoff besitzt die Schalenbelegung 2 | 6. Die äußere L-Schale enthält sechs Valenzelektronen. Nimmt das Atom zwei Elektronen auf, besitzt die Außenschale acht Elektronen. Es entsteht ein zweifach negativ geladenes Ion.
Die Ladungslogik lautet:
$$\mathrm{E}+2e^-\rightarrow\mathrm{E}^{2-}$$
Bei der Ionenbildung ändert sich die Zahl der Elektronen, nicht die Zahl der Protonen im Kern.
Wo endet das Bild von festen Elektronenbahnen?
Schalen sind ein nützliches Denkmodell, aber keine festen Kreisbahnen, auf denen sich kleine Kugeln eindeutig verfolgen lassen. Das einfache Schalenmodell eignet sich besonders für Hauptgruppenelemente der ersten drei Perioden.
In der genaueren quantenphysikalischen Beschreibung werden gebundene Elektronen durch Orbitale dargestellt. Ein Orbital beschreibt räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und Energien eines Elektrons. Es gibt also nicht zu jedem Zeitpunkt eine im Modell festgelegte klassische Bahn.
Elektronen zeigen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Sie können mit anderen Teilchen zusammenstoßen, aber auch gebeugt werden. Maximal zwei Elektronen können dasselbe Orbital besetzen, wenn ihre Spins entgegengesetzt sind.
Auch in Stoffen ist ihre Beweglichkeit entscheidend:
- In einem Leiter können sich einige äußere Elektronen vergleichsweise frei bewegen.
- In einem Isolator sind Elektronen stärker gebunden.
- In einem elektrischen Feld werden Elektronen wegen ihrer Ladung beschleunigt; in einer Elektronenröhre bewegen sie sich zur positiven Elektrode.
- Ein Magnetfeld kann die Flugbahn bewegter Elektronen ablenken.
Ab der vierten Periode reicht eine bloße Reihenfolge voller Schalen nicht mehr aus, um die Elektronenverteilung zuverlässig zu erklären. Dafür wird das Orbitalmodell benötigt. Die Formel $2n^2$ für die maximale Schalenkapazität bleibt davon zu unterscheiden.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Elektron
- Eigenschaften
- negative Ladung
- Elementarteilchen
- geringe Masse
- Atom
- Atomhülle
- neutrales Atom
- Ion
- Schulmodell
- Elektronenschalen
- Valenzelektronen
- Kapazität $2n^2$
- Genauere Beschreibung
- Orbitale
- Wellen- und Teilchencharakter
- Wirkung
- chemische Bindungen
- elektrische Leitfähigkeit
- Ablenkung in Feldern
- Eigenschaften
Abschluss-Check
Du kannst das Elektron nun über Ladung, Ort und Teilchenart einordnen, Elektronenzahlen von Atomen und Ionen bestimmen und erklären, wofür das Schalenmodell geeignet ist und wo seine Grenze liegt.