Atomhüllenmodelle und Elektronenkonfiguration einfach erklärt

Stell dir vor, du bist auf einem Konzert deiner Lieblingsband. Die Bühne ist in der Mitte, und alle wollen so nah wie möglich am Geschehen sein. Die erste Sitzreihe direkt an der Bühne hat aber nur Platz für zwei Personen. Wenn diese voll ist, müssen die nächsten Fans in die zweite Reihe ausweichen, die etwas weiter weg ist und mehr Plätze bietet.

Genau so verhalten sich Elektronen in einem Atom bei den Themen Atomhüllenmodelle und Elektronenkonfiguration! Sie schwirren nicht einfach chaotisch herum, sondern ordnen sich nach strengen Regeln in bestimmten Abständen um den Atomkern an. In diesem Artikel lernst du, wie diese „Sitzreihen“ der Elektronen aufgebaut sind, warum die äußersten Elektronen die wichtigsten für die Chemie sind und wie Wissenschaftler überhaupt herausgefunden haben, dass es diese Reihen gibt.

Vorwissen

• Der Atomkern: Befindet sich im Zentrum des Atoms und ist positiv geladen (enthält Protonen). Beispiel: Ein Kohlenstoffatom hat 6 positive Protonen in seinem Kern.
• Die Elektronen: Sind negativ geladene Teilchen, die den Kern umgeben. Beispiel: Die negativen Elektronen werden vom positiven Kern angezogen, ähnlich wie ein Magnet Eisen anzieht.

Aufgabentyp 1: Energiestufen- und Schalenmodelle

Die Elektronen eines Atoms bewegen sich in der sogenannten Atomhülle. Um diese Hülle zu beschreiben, nutzen Chemiker zwei Modelle, die eigentlich dasselbe beschreiben, nur aus unterschiedlichen Blickwinkeln:

• Das Schalenmodell (räumliche Darstellung): Hier stellen wir uns vor, dass die Elektronen auf festen Kreisbahnen, den sogenannten Schalen, um den Kern kreisen. Je weiter außen eine Schale ist, desto größer ist sie.
• Das Energiestufenmodell (energetische Darstellung): Hier betrachten wir die Energie. Elektronen, die nah am Kern sind, werden stark angezogen. Es kostet wenig Energie für das Elektron, dort zu bleiben. Elektronen, die weiter weg sind, haben eine höhere Energie (wie ein Stein, den man hochhebt: je höher, desto mehr Energie steckt in ihm). Jede Schale entspricht also einer bestimmten Energiestufe.

Die Verteilung der Elektronen auf diese Schalen nennt man Elektronenkonfiguration. Dabei gibt es strenge Platzregeln. Die Schalen werden immer von innen nach außen aufgefüllt:

1. Die 1. Schale (niedrigste Energiestufe) ist sehr klein. Hier haben maximal 2 Elektronen Platz.
2. Die 2. Schale (nächsthöhere Energiestufe) ist größer. Hier passen bis zu 8 Elektronen hinein.

Sobald eine Schale voll ist, muss das nächste Elektron in die nächsthöhere Schale ausweichen.

Aufgabentyp 2: Valenzelektronen, Atomrumpf und Lewis-Schreibweise

Für chemische Reaktionen sind die Elektronen, die tief im Inneren des Atoms versteckt sind, völlig unwichtig. Alles, was in der Chemie passiert, wird von den Elektronen auf der alleräußersten Schale gesteuert. Diese nennt man Außenelektronen oder Valenzelektronen.

Weil die inneren Teile des Atoms bei Reaktionen unberührt bleiben, fassen wir sie gedanklich zusammen. Der Atomkern und alle inneren, voll besetzten Schalen bilden zusammen den sogenannten Atomrumpf. Der Atomrumpf wird von den Valenzelektronen umhüllt.

Um Atome schnell und einfach zeichnen zu können, ohne immer alle Schalen malen zu müssen, hat sich der Chemiker Gilbert N. Lewis eine Kurzschreibweise ausgedacht: die Lewis-Schreibweise.

• Das chemische Symbol (z. B. $\text{O}$ für Sauerstoff) steht für den gesamten Atomrumpf.
• Die Valenzelektronen werden als Punkte (für einzelne Elektronen) oder als Striche (für Elektronenpaare) um das Symbol herum gezeichnet.

Mit dieser Schreibweise siehst du sofort, wie viele „Greifarme“ (Valenzelektronen) ein Atom hat, um sich mit anderen Atomen zu verbinden.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Valenzelektronen bestimmen: Finde heraus, wie viele Elektronen das Atom auf seiner äußersten Schale hat.
2. Atomrumpf notieren: Schreibe das chemische Symbol des Elements auf. Es steht für den Atomrumpf.
3. Einzelne Punkte setzen: Zeichne für jedes Valenzelektron einen Punkt um das Symbol (oben, unten, rechts, links). Bis zu 4 Elektronen werden immer als einzelne Punkte gezeichnet.
4. Elektronenpaare bilden: Hat das Atom mehr als 4 Valenzelektronen, müssen sich die weiteren Elektronen zu den bereits vorhandenen Punkten gesellen. Zwei Punkte werden dann zu einem Strich (einem Elektronenpaar) verbunden.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 3: Ionisierung und Ionisierungsenergie

Da der Atomkern positiv und die Elektronen negativ sind, ziehen sie sich gegenseitig an. Wenn man ein Elektron aus der Atomhülle komplett entfernen möchte, muss man kräftig daran ziehen. Man muss also Energie aufwenden.

Den Vorgang, bei dem ein Elektron aus einem Atom entfernt wird, nennt man Ionisierung. Weil das Atom danach ein negatives Elektron weniger hat, überwiegt die positive Ladung des Kerns. Das Atom wird zu einem positiv geladenen Teilchen, einem Ion.

Die Energie, die man benötigt, um das Elektron abzureißen, nennt man Ionisierungsenergie.

Der Beweis für das Schalenmodell: Wissenschaftler haben gemessen, wie viel Energie man braucht, um nacheinander alle Elektronen aus einem Atom zu entfernen. Dabei haben sie etwas Erstaunliches festgestellt:

• Die äußeren Elektronen lassen sich relativ leicht entfernen.
• Will man danach aber ein Elektron aus der nächstinneren Schale entfernen, benötigt man plötzlich extrem viel mehr Energie (einen riesigen Energiesprung).

Warum? Weil die Elektronen der inneren Schale viel näher am positiven Kern sind und viel stärker festgehalten werden. Diese plötzlichen Sprünge in der Ionisierungsenergie sind der eindeutige Beweis dafür, dass Elektronen nicht alle gleich weit vom Kern entfernt sind, sondern sich in klar getrennten Schalen (Energiestufen) befinden.

Wichtige Erkenntnisse

• Schalenmodell: Die 1. Schale fasst maximal 2 Elektronen, die 2. Schale maximal 8 Elektronen.
• Valenzelektronen: Sind die Elektronen auf der äußersten Schale und bestimmen die chemischen Eigenschaften.
• Lewis-Schreibweise: Das Symbol steht für den Atomrumpf, Punkte und Striche stehen für die Valenzelektronen.
• Ionisierung: Entfernt man ein Elektron (durch Zufuhr von Ionisierungsenergie), entsteht ein positiv geladenes Ion.
• Beweis: Sprünge in der Ionisierungsenergie beweisen, dass die Atomhülle in Schalen aufgebaut ist.