Der Aufbau von Atomen – Elektronenschalen

Elektronenschalen in der Chemie

Wir alle und unsere gesamte Umwelt bestehen aus ihnen – den Atomen. Doch wie genau sehen die eigentlich aus und wie kann es sein, dass verschiedene Elemente unterschiedlich mit anderen reagieren?
Aus dem Chemieunterricht und aus deinem Alltag kennst du Beispiele für Reaktionen, die eher langsam ablaufen (z. B. die Oxidation von Eisenlegierungen = Rosten), bei anderen wiederum reagieren Elemente sehr schnell, zum Teil explosionsartig, miteinander (z. B. die Oxidation von Wasserstoff = Knallgasreaktion). Woran liegt das?

Warum sind manche Elemente reaktionsfreudiger als andere?

Für die Reaktivität eines Elements sind vor allem die äußersten Elektronen der Atome ausschlaggebend, die sogenannten Außenelektronen, auch Valenzelektronen genannt. Bevor wir uns genauer anschauen, wo diese sich befinden, werfen wir zunächst einen Blick auf den allgemeinen Aufbau eines Atoms.

Entwicklung des Elektronenschalenmodells

Bereits in Daltons Atommodell wurde im Jahr 1808 die Schlussfolgerung gezogen, dass Elemente aus Atomen bestehen. Es stellte sich aber später heraus, dass diese wiederum aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten Elementarteilchen, aufgebaut sind.
Für das Modell der Elektronenschalen genügt es, uns die drei bekanntesten Teilchen anzuschauen: Protonen (positiv geladen), Neutronen (neutral) und Elektronen (negativ geladen). Die Anzahl der Protonen und Elektronen in einem Atom ist generell gleich groß, sodass das Atom nach außen keine Überzahl von positiven oder negativen Ladungen aufweist. Es ist elektrisch neutral.
Ernest Rutherford erkannte bereits im Jahr 1911, dass diese beiden Teilchenarten nicht gleichmäßig im gesamten Atom verteilt sind. Die Protonen (und Neutronen) befinden sich im Atomkern, dieser ist also positiv geladen. Die Elektronen befinden sich außerhalb davon in der Atomhülle, diese ist negativ geladen.

Das Elektronenschalenmodell nach Bohr

Zwei Jahre später (1913) entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr für das Wasserstoffatom ein Modell, welches aussagt, dass Elektronen nicht beliebig in der Atomhülle verteilt sind, sondern sich auf festen Kreisbahnen um den Atomkern bewegen müssen.
Dies kann man sich, einfach erklärt, vorstellen wie die Planeten, die in ganz bestimmten Abständen um unsere Sonne kreisen. Die Elektronen bleiben dabei jedoch nicht in einer Ebene, sondern bewegen sich in definierten Abständen rund um den Kern wie auf einer unsichtbaren Kugeloberfläche. Diese Dreidimensionalität wird durch den Begriff Schale ausgedrückt.

Definition und Aufbau der Elektronenschalen

Sehen wir uns an, was mit den Schalen eines Atoms gemeint ist:

Gäbe es diese energetisch stabilen Aufenthaltsorte nicht, würden die Elektronen in den Kern stürzen, denn aufgrund der Anziehung zwischen positiven und negativen Ladungen müssten sie eigentlich vom Atomkern angezogen werden.

Die Größe der Atomhülle eines Atoms ist durch den Durchmesser der äußersten besetzten Elektronenschale des Atoms festgelegt. Der Größenunterschied zwischen Atomkern und Atomhülle ist dabei enorm. Protonen sind viel schwerer als Elektronen, deshalb befindet sich mehr als $99\,\%$ der Masse eines Atoms in dessen Kern.
Im Gegensatz dazu beträgt allerdings die Ausdehnung des Kerns mit $\ce{1/20000}$ bis $\ce{1/150000}$ nur einen winzigen Bruchteil der Ausdehnung der Atomhülle. Würde man den Atomkern auf die Ausmaße eines Stecknadelkopfes vergrößern (etwa $2$ Millimeter Durchmesser), hätte das gesamte Atom eine Ausdehnung von rund $200$ Metern.

Bezeichnung und Besetzung der Elektronenschalen

Die Elektronenschalen werden von innen nach außen, also ausgehend vom Atomkern, mit Buchstaben bezeichnet. Man hatte zuvor bereits die Absorptionslinien des Sonnenlichts mit $\ce{A}$, $\ce{B}$ usw. benannt. Da zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt war, wie groß die Anzahl jener Absorptionslinien tatsächlich ist, begann man die Benennung der Elektronenschalen einfach in der Mitte des Alphabets, um noch genügend Platz zu lassen.
Wir beginnen demnach auf der innersten Schale mit $\ce{K}$ und gehen weiter nach außen in alphabetischer Reihenfolge. Die maximale Besetzung der Schalen mit Elektronen erfolgt dabei nach der Formel $2\,n^{2}$, wobei $n$ der Schalennummer entspricht. Für die $\ce{K}$-Schale gibt es also höchstens zwei Elektronen, die $\ce{L}$-Schale ist mit acht Elektronen vollständig besetzt. Die maximale Elektronenzahl für die $\ce{M}$-Schale beträgt $\text{18}$.
Grundsätzlich werden die Schalen von innen nach außen bis zu ihrer maximalen Befüllung besetzt. Dies gilt streng genommen jedoch nur für die $\ce{K}$- und die $\ce{L}$-Schale. Danach werden auch bereits vor der vollständigen Befüllung einer weiter innen liegenden Schale äußere Schalen besetzt.
Diese Formalität wurde bei der Zusammenstellung des Periodensystems berücksichtigt, sodass die Reaktionsfreudigkeit eines Elements allein an der Anzahl der Außenelektronen abzulesen ist. Dafür genügt es, sich die Besetzung der äußersten Schale anzuschauen.

Elektronenschalen und ihr Bezug zur Reaktivität und der Edelgaskonfiguration

Um nun zu verstehen, warum einige Elemente reaktiver sind als andere, hilft uns ein Blick auf die sogenannten Edelgase wie Argon und Neon. Diese befinden sich in der $8.$ Hauptgruppe des Periodensystems und sind besonders reaktionsträge.
Die äußersten Elektronenschalen der Edelgase sind jeweils mit acht Elektronen besetzt, bzw. die $\ce{K}$-Schale von Helium mit zwei Elektronen voll besetzt. Genau dies ist der Grund für ihre außerordentliche Stabilität und somit ihre Reaktionsträgheit gegenüber anderen Elementen.

Um diesen Zustand der Stabilität ebenfalls zu erreichen, sind auch die anderen Elemente bestrebt, ihre äußerste Schale voll bzw. mit acht Elektronen zu besetzen, also eine Edelgaskonfiguration einzustellen. Deshalb gehen viele Elemente chemische Verbindungen ein, um Elektronen miteinander zu teilen und so ihre Elektronenschalen gemeinsam zu füllen.

Beispiel zur Besetzung von Elektronenschalen

Am Beispiel von Natriumchlorid (Kochsalz) lässt sich dies anschaulich erklären. Schau dir dazu die folgende Abbildung an:

Ein Natriumatom $\left( \ce{Na} \right)$ besitzt $11$ Elektronen mit folgender Besetzung:
$\ce{K}$-Schale: $\ce{2e-}$
$\ce{L}$-Schale: $\ce{8e-}$
$\ce{M}$-Schale: $\ce{1e-}$

Der einfachste Weg, um einen stabilen Zustand zu erreichen, ist also die Abgabe des einzelnen Elektrons der $\ce{M}$-Schale, wodurch Natrium zum einfach positiv geladenen Ion wird:

$\ce{Na -> Na+ + e-}$

Ein Chloratom $\left( \ce{Cl} \right)$ hingegen besitzt $17$ Elektronen in folgender Besetzung:
$\ce{K}$-Schale: $\ce{2e-}$
$\ce{L}$-Schale: $\ce{8e-}$
$\ce{M}$-Schale: $\ce{7e-}$

Chlor erreicht also am einfachsten Edelgaskonfiguration, indem es durch die Aufnahme eines Elektrons in die $\ce{M}$-Schale diese auf acht auffüllt. Dies geschieht dann nach folgender Reaktion:

$\ce{Cl + e- -> Cl-}$

Chlor wird durch die Aufnahme eines Elektrons zum negativ geladenen Ion. Eine bekannte Ionenverbindung des Chlors ist das Kochsalz, chemisch gesehen Natriumchlorid $\left( \ce{NaCl} \right)$, das sich entsprechend der Reaktionsgleichung $\ce{Na+ + Cl- -> NaCl}$ bildet.

Grenzen des Elektronenschalenmodells

Das bohrsche Elektronenschalenmodell wurde später durch das Modell der Atomorbitale erweitert. Diese Erweiterung benötigen wir beispielsweise, um die räumliche Gestalt von Molekülen zu verstehen.
Für die Betrachtung von chemischen Reaktionen ist jedoch das vereinfachte Elektronenschalenmodell und dabei vor allem die Darstellung der Besetzung der äußersten Schale entscheidend und ausreichend.

Ausblick – das lernst du nach Der Aufbau von Atomen – Elektronenschalen

Vertiefe dein Verständnis für die Materie mit dem Thema Ionenbindung. Lerne mehr über Valenzelektronen und die Oktettregel und ergänze so deine Kenntnisse über Atome und Moleküle. Mache dich bereit, neue Aspekte der Chemie zu entdecken!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Schalenmodell