Was sind Elektronenschalen?

Schalen: Schichten aus Elektronen

Die Elektronen um einen Kern befinden sich in Schalen, auch Energieniveaus genannt, die ein bisschen wie die Stockwerke eines Gebäudes funktionieren. Die erste Schale liegt am nächsten am Kern und hat die niedrigste Energie, und jede weitere Schale liegt weiter außen und hat mehr Energie.

Schalen werden von innen nach außen mit 1, 2, 3 usw. nummeriert und haben auch Buchstabennamen: K, L, M und N für die ersten vier. Die Periodennummer eines Elements sagt dir, wie viele Schalen seine Atome nutzen, daher hat Natrium in Periode 3 Elektronen in drei Schalen.

Wie viele Elektronen in jede Schale passen

Jede Schale kann eine Höchstzahl an Elektronen aufnehmen, die die Formel 2n² angibt, wobei n die Schalennummer ist. Die erste Schale fasst 2 × 1² = 2, die zweite 2 × 2² = 8, die dritte 2 × 3² = 18 und die vierte 2 × 4² = 32.

Elektronen füllen zuerst die Schale mit der niedrigsten Energie, und wenn eine Schale voll ist, beginnt das nächste Elektron eine neue Schale weiter außen. Die 2 Elektronen von Helium füllen die erste Schale, daher muss das dritte Elektron von Lithium in die zweite Schale, was die Anordnung 2, 1 ergibt.

Das 2-8-8-Muster für die ersten 20 Elemente

Für die ersten 20 Elemente liefert eine einfache Regel die Elektronenanordnung: 2 Elektronen in die erste Schale, bis zu 8 in die zweite, bis zu 8 in die dritte und alle übrigen in die vierte. Kohlenstoff (6 Elektronen) ist 2, 4. Natrium (11) ist 2, 8, 1. Chlor (17) ist 2, 8, 7. Argon (18) ist 2, 8, 8.

Die dritte Schale könnte 18 Elektronen fassen, doch Kalium (19) ist 2, 8, 8, 1 und Calcium (20) ist 2, 8, 8, 2, weil der erste Teil der vierten Schale energetisch etwas tiefer liegt als der Rest der dritten. Ab Scandium (21) füllen die Elektronen wieder die dritte Schale auf, daher funktioniert die 2-8-8-Regel nur bis Calcium.

Ein Bohr-Diagramm zeichnen

Ein Bohr-Diagramm ist eine schnelle Skizze der Schalen eines Atoms. Zeichne einen kleinen Kreis für den Kern mit dem Symbol des Elements darin, dann einen Ring für jede Schale und platziere die Elektronen als Punkte auf den Ringen.

Durchgerechnetes Beispiel: Natrium. Seine Ordnungszahl ist 11, also hat ein neutrales Natriumatom 11 Elektronen. Setze 2 auf den ersten Ring, dann bleiben 9. Setze 8 auf den zweiten Ring, dann bleibt 1, und dieses letzte Elektron sitzt allein auf dem dritten Ring. Das Diagramm zeigt 2, 8, 1.

Warum die Außenschale wichtig ist

Die Elektronen in der äußersten Schale, die Valenzelektronen, entscheiden, wie ein Atom reagiert. Atome mit voller Außenschale, wie Neon (2, 8) und Argon (2, 8, 8), reagieren kaum. Lithium (2, 1), Natrium (2, 8, 1) und Kalium (2, 8, 8, 1) haben jeweils ein einziges Außenelektron, das sie leicht abgeben, daher sind alle drei reaktive Metalle.

Das Bohrsche Atommodell und seine Grenzen

Der dänische Physiker Niels Bohr schlug dieses Modell 1913 vor. Er meinte, dass Elektronen sich auf festen Bahnen mit festen Energien bewegen und Licht abgeben, wenn sie von einer höheren auf eine tiefere Bahn fallen. Das erklärte die genauen Lichtfarben von glühendem Wasserstoffgas, ein großer Erfolg zu dieser Zeit.

Das Modell hat jedoch Grenzen. Es sagt nur das Licht von Wasserstoff und anderen Atomen mit einem Elektron richtig voraus, und Elektronen kreisen nicht wirklich wie Planeten um die Sonne um den Kern. Im modernen quantenmechanischen Modell besetzt jedes Elektron ein Orbital, einen Bereich, in dem es sich wahrscheinlich aufhält, und jede Schale ist in Unterschalen namens s, p, d und f unterteilt. Es ist weiterhin ein praktisches Werkzeug zum Zählen von Elektronen, solange du dir merkst, dass es vereinfacht ist.