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Schalenmodell: Elektronen und Ionen einfach erklärt
Im Schalenmodell ordnest du die Elektronen eines Atoms in Bereiche um den Kern ein. Für neutrale Hauptgruppenelemente der ersten drei Perioden reichen dabei die Belegungen 2 | 8 | 8: zuerst K, dann L, dann M. Die Elektronen der äußersten besetzten Schale heißen Valenzelektronen. Mit ihnen kannst du einfache Ionenbildungen erklären.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie viele Elektronen hat ein Atom?
Die Ordnungszahl im Periodensystem gibt die Protonenzahl an. Ein neutrales Atom besitzt gleich viele negativ geladene Elektronen wie positiv geladene Protonen. Deshalb gilt für ein neutrales Atom:
$$\text{Elektronenzahl}=\text{Ordnungszahl}$$
Ein Stickstoffatom hat die Ordnungszahl 7. Es besitzt also 7 Protonen und als neutrales Atom 7 Elektronen.
Ion
Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen. Gibt ein Atom Elektronen ab, entsteht ein positives Ion. Nimmt es Elektronen auf, entsteht ein negatives Ion. Der Atomkern bleibt dabei unverändert.
Wie verteilst du Elektronen auf Schalen?
Die Schalen heißen von innen nach außen K, L, M, N und so weiter. Du beginnst immer mit der kernnächsten noch nicht gefüllten Schale.
Für die maximale Kapazität einer Schale wird oft die Faustformel verwendet:
$$z=2n^2$$
Dabei ist $n$ die Schalennummer und $z$ die maximale Elektronenzahl dieser Schale.
- K-Schale: $2\cdot1^2=2$ Elektronen
- L-Schale: $2\cdot2^2=8$ Elektronen
- M-Schale: $2\cdot3^2=18$ Elektronen
Für Hauptgruppenelemente der ersten drei Perioden nutzt du die schulische Belegung K: 2, L: 8, M: bis zu 8. Die 18 aus der Formel sind kein Auftrag, die M-Schale sofort mit 18 Elektronen zu füllen. Jenseits von Argon reicht die einfache Regel „innen vollständig, dann außen“ nicht mehr aus; dort braucht man ein genaueres Modell der Elektronenverteilung.
Stickstoff mit 7 Elektronen
- Die K-Schale erhält zuerst 2 Elektronen.
- Es bleiben $7-2=5$ Elektronen.
- Diese 5 Elektronen kommen auf die L-Schale.
Kurzschreibweise: K2 L5 oder 2 | 5.
Aluminium mit 13 Elektronen
- K erhält 2 Elektronen.
- L erhält 8 Elektronen.
- Es bleiben $13-2-8=3$ Elektronen für M.
Kurzschreibweise: K2 L8 M3 oder 2 | 8 | 3.
Was verraten Valenzelektronen und Perioden?
Valenzelektronen
Valenzelektronen, auch Außenelektronen genannt, sind die Elektronen auf der äußersten besetzten Schale. Sie prägen die chemischen Eigenschaften eines Hauptgruppenelements besonders stark.
Bei Aluminium mit 2 | 8 | 3 ist M die äußerste besetzte Schale. Aluminium hat daher 3 Valenzelektronen.
Im Periodensystem helfen dir zwei Beziehungen:
- Bei Hauptgruppenelementen zeigt die Hauptgruppe die Zahl der Valenzelektronen an.
- Die Periode zeigt die Zahl der besetzten Schalen an.
Helium ist die wichtige Ausnahme bei den Valenzelektronen: Es steht bei den Edelgasen, besitzt aber nur 2 Valenzelektronen. Seine einzige K-Schale ist damit bereits voll.
Die Periode beantwortet „Wie viele Schalen?“. Die Hauptgruppe beantwortet bei Hauptgruppenelementen „Wie viele Valenzelektronen?“.
Wie entstehen einfache Ionen?
Eine vollständig besetzte Außenschale heißt Edelgaskonfiguration. Bei einfachen Ionen der Hauptgruppenelemente kann ein Atom diese Anordnung durch Abgabe oder Aufnahme weniger Elektronen erreichen.
Natrium gibt ein Elektron ab
Das neutrale Natriumatom hat die Belegung 2 | 8 | 1. Gibt es das einzelne Valenzelektron ab, bleiben 10 Elektronen mit der Belegung 2 | 8. Im Kern sind weiterhin 11 Protonen. Damit gibt es eine positive Ladung mehr als negative Ladungen: Es entsteht $\mathrm{Na^+}$.
Sauerstoff nimmt zwei Elektronen auf
Das neutrale Sauerstoffatom hat die Belegung 2 | 6. Es nimmt 2 Elektronen auf und besitzt danach $8+2=10$ Elektronen mit der Belegung 2 | 8. Der Kern enthält weiterhin 8 Protonen. Zwei negative Ladungen sind im Überschuss: Es entsteht $\mathrm{O^{2-}}$.
Elektronenabgabe macht ein Ion positiv, Elektronenaufnahme macht es negativ. Die Zahl der Protonen ändert sich dabei nicht.
Was zeigt das Modell – und was nicht?
Ein Modell ist eine vereinfachte Denk- und Darstellungsweise. Das Schalenmodell hilft dir, Elektronenzahlen zu ordnen, Valenzelektronen zu erkennen und einfache Ionenbildungen zu erklären.
Die gezeichneten Kreise darfst du aber nicht mit echten, festen Flugbahnen verwechseln. Die Schalen stehen für bestimmte Energie- und Aufenthaltsbereiche. Elektronen kreisen in der Wirklichkeit nicht wie Planeten auf starren Kreisbahnen um den Kern.
Auch die einfache Füllregel hat Grenzen. Die Formel $2n^2$ nennt eine mögliche Höchstzahl pro Schale, erklärt aber nicht allein die genaue Reihenfolge, in der Elektronen bei schwereren Atomen verteilt werden. Dafür ist das Orbitalmodell genauer.
Beobachtungen an Ionisierungsenergien stützen die Schalenidee: Nach bestimmten Elektronenzahlen steigt die zum Entfernen des nächsten Elektrons benötigte Energie stark an. Solche Sprünge zeigen Gruppen unterschiedlich stark gebundener Elektronen. Einzelne feinere Unterschiede kann das einfache Schalenmodell jedoch nicht erklären.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Schalenmodell
- Elektronenzahl: beim neutralen Atom gleich der Ordnungszahl
- Belegung: von K nach außen
- erste drei Perioden: 2 | 8 | 8
- Valenzelektronen: äußerste besetzte Schale
- Ionen: Elektronenabgabe oder Elektronenaufnahme
- Grenze: Energie- und Aufenthaltsbereiche statt starrer Bahnen