Schalenmodell: Elektronen und Ionen einfach erklärt

Die Ordnungszahl im Periodensystem gibt die Protonenzahl an. Ein neutrales Atom besitzt gleich viele negativ geladene Elektronen wie positiv geladene Protonen. Deshalb gilt:

\text{Elektronenzahl}=\text{Ordnungszahl}

Ein Stickstoffatom hat die Ordnungszahl 7. Es besitzt sieben Protonen und als neutrales Atom sieben Elektronen.

Die Schalen heißen von innen nach außen K, L, M, N und so weiter. Für das Schulmodell beginnst du mit der kernnächsten noch nicht gefüllten Schale. Die Höchstzahl einer Schale ist:

z=2n^2

Dabei ist n die Schalennummer und z die maximale Elektronenzahl. Für K gilt 2\cdot1^2=2, für L 2\cdot2^2=8 und für M 2\cdot3^2=18. Bei Hauptgruppenelementen der ersten drei Perioden nutzt du vereinfacht K: 2, L: 8 und M: bis zu 8. Die 18 sind keine Aufforderung, M sofort vollständig zu füllen.

Jenseits von Argon reicht die Regel „innen vollständig, dann außen“ nicht mehr aus. Dort braucht man ein genaueres Modell der Elektronenverteilung.

Bei Aluminium mit 2 | 8 | 3 ist M die äußerste besetzte Schale. Aluminium hat daher 3 Valenzelektronen.

Im Periodensystem helfen dir zwei Beziehungen für neutrale Hauptgruppenatome im Grundzustand. Grundzustand heißt: Die Elektronen sind so verteilt, dass das Atom möglichst wenig Energie hat. Dann zeigt die Periode die Zahl der besetzten Schalen an. Bei Hauptgruppenelementen entspricht die Zahl der Valenzelektronen der Hauptgruppennummer I bis VIII. Viele Periodensysteme nummerieren stattdessen die Gruppen 1 bis 18: In Gruppe 13 hat Aluminium drei Valenzelektronen, in Gruppe 17 hat Chlor sieben. Helium ist eine Ausnahme: Es steht bei den Edelgasen, besitzt aber nur 2 Valenzelektronen. Seine einzige K-Schale ist damit bereits voll.

Wende die Periodenregel nicht auf ein Ion nach Elektronenabgabe an: Natrium bleibt ein Element der dritten Periode, obwohl sein Ion \ce{Na+} nur zwei besetzte Schalen hat.

Eine Edelgaskonfiguration bedeutet: Die Elektronen sind so verteilt wie bei einem Edelgas. Bei den ersten drei Perioden hat Helium außen zwei, Neon und Argon haben außen acht Elektronen. Das heißt nicht, dass jede dieser Schalen ihre gesamte mögliche Kapazität ausschöpft: Die M-Schale von Argon enthält acht Elektronen, obwohl sie insgesamt bis zu 18 aufnehmen kann. Einfache Ionen der Hauptgruppenelemente können eine Edelgaskonfiguration durch Abgabe oder Aufnahme weniger Elektronen erreichen.

Das Schalenmodell hilft dir, Elektronenzahlen zu ordnen, Valenzelektronen zu erkennen und einfache Ionenbildungen zu erklären. Die gezeichneten Kreise sind keine echten Flugbahnen. Schalen stehen für Energie- und Aufenthaltsbereiche. Die Formel 2n^2 nennt eine Höchstzahl, aber nicht die genaue Besetzungsreihenfolge schwererer Atome.

Beobachtungen an Ionisierungsenergien stützen die Schalenidee: Nach bestimmten Elektronenzahlen steigt die Energie zum Entfernen des nächsten Elektrons stark an. Das deutet auf Gruppen unterschiedlich stark gebundener Elektronen. Feinere Unterschiede kann das einfache Modell nicht erklären.