Elektron: Ladung, Atomhülle und Schalenmodell

Elektronen befinden sich in der Atomhülle. Zusammen mit dem positiv geladenen Atomkern bilden sie ein Atom. Experimente zeigen bisher keine innere Struktur des Elektrons. Deshalb wird es als Elementarteilchen behandelt, also als Teilchen, das nicht aus noch kleineren Teilen besteht. Ein Gegenstück zum Elektron ist das Positron: Es hat dieselbe Masse wie ein Elektron, ist aber positiv geladen. In gewöhnlichen Atomen kommt es nicht vor; es ist nicht das Proton.

Elektronen sind viel leichter als Protonen: Ein Proton besitzt ungefähr die 1836-fache Elektronenmasse. Daher steckt fast die gesamte Masse eines Atoms im Kern.

Auch in Stoffen ist die Beweglichkeit der Elektronen entscheidend. In einem elektrischen 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.

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. Die Ladung schreibt man rechts oben an das Elementsymbol: Zuerst steht die Zahl, dann das Vorzeichen. Eine 1 lässt man weg, \ce{F-} trägt also eine negative Ladung.

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 fasst die K-Schale mit n=1 höchstens 2\cdot1^2=2 Elektronen. Die L-Schale mit n=2 fasst höchstens 2\cdot2^2=8 Elektronen. Die M-Schale mit n=3 fasst höchstens 2\cdot3^2=18 Elektronen. Die N-Schale mit n=4 fasst höchstens 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.

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 der Zahl der Valenzelektronen. Helium ist die einzige Ausnahme: Es steht in der VIII. Hauptgruppe bei den Edelgasen, hat aber nur zwei Valenzelektronen. Seine einzige Schale ist damit schon voll.

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. Ab der vierten Periode reicht eine bloße Reihenfolge voller Schalen nicht mehr aus, um die Elektronenverteilung zuverlässig zu erklären. Kalium mit 19 Elektronen hat zum Beispiel die Belegung 2 | 8 | 8 | 1, obwohl die M-Schale bis zu 18 Elektronen fassen könnte. Die Formel 2n^2 für die höchstmögliche Schalenkapazität bleibt davon unberührt.

In der genaueren Beschreibung werden Elektronen in Atomen durch Orbitale dargestellt. Ein Orbital beschreibt, wo ein Elektron mit welcher Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist und welche Energie es hat. Eine feste Bahn, auf der das Elektron zu jedem Zeitpunkt an einer bestimmten Stelle ist, gibt es in diesem Modell nicht. Elektronen verhalten sich in manchen Versuchen auch wie Wellen.

Mehr dazu auf den Seiten „Orbitalmodell“ und „Elektronenkonfiguration“.