Energiestufen- und Schalenmodell einfach erklärt

Stell dir vor, du bist auf einem Konzert deiner Lieblingsband. Die Bühne ist in der Mitte, und die Fans stehen in festen Reihen darum herum. Niemand darf zwischen den Reihen stehen, und die Plätze ganz vorne an der Bühne sind am schnellsten besetzt, weil dort jeder stehen möchte.

Genau so ähnlich sieht es im Inneren eines Atoms aus! Die Bühne ist der Atomkern, und die Fans sind die Elektronen. In diesem Artikel zum Thema Energiestufen- und Schalenmodell des Atoms lernst du, wie die Elektronen um den Atomkern herum angeordnet sind, welche strengen Platzregeln für sie gelten und wie wir das Ganze zeichnen können.

Vorwissen

• Atomkern und Atomhülle: Der Kern ist positiv geladen (Protonen), die Hülle enthält die negativ geladenen Elektronen.

  Beispiel: Ein Kohlenstoffatom hat Protonen im Kern und Elektronen in der Hülle.

• Die Ordnungszahl: Im Periodensystem gibt die Ordnungszahl (Kernladungszahl) an, wie viele Protonen ein Atom hat. Bei einem neutralen Atom ist die Anzahl der Elektronen genau gleich groß.

  Beispiel: Sauerstoff hat die Ordnungszahl 8. Ein neutrales Sauerstoffatom hat also genau 8 Elektronen.

Aufgabentyp 1: Grundlagen des Energiestufenmodells

Lange Zeit dachte man, Elektronen fliegen völlig chaotisch um den Atomkern herum. Heute wissen wir: Das stimmt nicht! Elektronen können nicht einfach irgendwo sein. Sie können nur ganz bestimmte, feste Energiezustände einnehmen. Diese Zustände nennen wir Energiestufen.

Man kann sich das Energiestufenmodell wie eine Leiter vorstellen:

• Feste Plätze: Du kannst auf einer Leiter nur auf den Sprossen stehen, aber nicht in der Luft dazwischen. Genauso können sich Elektronen nur exakt auf den Energiestufen befinden.

• Abstand bedeutet Energie: Je weiter oben ein Elektron auf der Leiter steht, desto weiter ist es vom Atomkern entfernt und desto mehr Energie hat es. Wenn wir einem Elektron von außen Energie zuführen (zum Beispiel durch Hitze), klettert es auf der Leiter nach oben. Sein Abstand zum Kern vergrößert sich.

• Kleiner werdende Abstände: Wenn du dir die Leiter genau ansiehst, fällt dir etwas auf: Je höher die Energie des Elektrons ist (je weiter oben es ist), desto geringer werden die Abstände zwischen den einzelnen Energiestufen. Die Sprossen rücken oben also immer näher zusammen.

Aufgabentyp 2: Bestimmung von Elektronenkonfigurationen

Wenn ein Atom mehrere Elektronen hat, müssen diese auf die verschiedenen Energiestufen verteilt werden. Diese genaue Verteilung nennt man Elektronenkonfiguration.

Elektronen sind von Natur aus „faul“. Sie wollen immer den Zustand mit der geringstmöglichen Energie einnehmen. Deshalb besetzen sie immer zuerst die unterste Energiestufe, ganz nah am Atomkern. Aber es gibt ein Problem: Auf den Stufen ist nicht unendlich viel Platz!

Es gelten strenge Platzregeln:

• 1. Energiestufe (ganz unten): Hier ist nur Platz für maximal 2 Elektronen.

• 2. Energiestufe: Hier ist Platz für maximal 8 Elektronen.

Sobald eine Stufe vollständig besetzt ist, müssen die restlichen Elektronen auf die nächsthöhere Energiestufe ausweichen. Ein Natriumatom hat zum Beispiel 11 Elektronen. Die ersten 2 gehen auf Stufe 1, die nächsten 8 auf Stufe 2. Das letzte, elfte Elektron muss ganz allein auf die 3. Energiestufe.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Gesamtanzahl der Elektronen herausfinden: Schau ins Periodensystem. Die Ordnungszahl des Elements verrät dir, wie viele Elektronen du insgesamt verteilen musst.
2. Die 1. Energiestufe besetzen: Gib maximal 2 Elektronen auf die 1. Stufe. Ziehe diese von deiner Gesamtanzahl ab.
3. Die 2. Energiestufe besetzen: Wenn noch Elektronen übrig sind, gib maximal 8 Elektronen auf die 2. Stufe. Ziehe auch diese ab.
4. Die 3. Energiestufe besetzen: Verteile alle restlichen Elektronen auf die 3. Stufe.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 3: Das Schalenmodell der Atomhülle

Bisher haben wir uns die Energiestufen wie eine flache Leiter vorgestellt. In der Realität ist ein Atom aber dreidimensional, wie eine Kugel.

Jedes Elektron bewegt sich in einem kugelförmigen Raum um den Atomkern herum. Wenn wir alle Aufenthaltsräume der Elektronen zusammenfassen, die zur gleichen Energiestufe gehören, erhalten wir eine Schale.

Stell dir eine Zwiebel vor:

• Die 1. Energiestufe ist die innerste Kugel (die 1. Schale) direkt um den Kern.
• Die 2. Energiestufe bildet eine größere Kugelschale, die sich wie eine Zwiebelschicht um die erste Schale legt.
• Die 3. Energiestufe ist eine noch größere Schale, die sich um die zweite legt.

Die Regeln bleiben genau gleich: Die 1. Schale nimmt maximal 2 Elektronen auf, die 2. Schale maximal 8 Elektronen.

Warum werden Atome im Periodensystem nach unten hin größer?

Wenn du im Periodensystem in einer Hauptgruppe (einer Spalte) von oben nach unten gehst, kommt bei jedem Schritt nach unten eine komplett neue Schale hinzu. Weil jede neue Schale einen größeren Abstand zum Kern hat als die vorherige, nimmt der Atomradius (die Größe des Atoms) von oben nach unten zu. Ein Kaliumatom ist also deutlich größer als ein Lithiumatom, weil es mehr Schalen besitzt.

Wichtige Erkenntnisse

• Elektronen befinden sich auf festen Energiestufen (wie auf den Sprossen einer Leiter).
• Je mehr Energie ein Elektron hat, desto weiter ist es vom Kern entfernt.
• Die Energiestufen entsprechen dreidimensionalen Schalen um den Atomkern.
• Platzregeln: 1. Schale = max. 2 Elektronen, 2. Schale = max. 8 Elektronen.
• Innerhalb einer Hauptgruppe nimmt der Atomradius von oben nach unten zu, da immer eine neue Schale hinzukommt.