1.4 Anordnung der Elektronen in der Atomhülle
Elektronenkonfiguration
Die Verteilung der Elektronen in der Atomhülle wird als Elektronenkonfiguration bezeichnet. Die Elektronenkonfiguration bestimmt die Eigenschaften und Reaktionsfähigkeit der Elemente.
Alle Elektronen haben die negative Ladung gemeinsam, unterscheiden sich jedoch in ihrer Eigenenergie. Je höher die Eigenenergie ist, umso weiter weg vom Atomkern lagern sich die Elektronen an, da die Anziehungskraft des Atomkerns auf das Elektron geringer ist. Der Kernabstand eines Elektrons nimmt also mit der Eigenenergie zu. Umgekehrt nimmt der Kernabstand ab, umso geringer die Eigenenergie ist.
Um den Atomkern herum befindet sich die Atomhülle mit verschiedenen Aufenthaltsbereichen für die Elektronen, die sich als Energiebereiche verstehen. Elektronen mit ähnlicher Eigenenergie befinden sich im selben Energiebereich. Ein Energiebereich kann also von mehreren Atomen gleichzeitig besetzt werden.
© Belinda Flemming: Schalenmodell und Energiestufenmodell des Kalium-Atoms im Vergleich, CC BY-SA
Energiestufen-Diagramm des Kalium-Atoms
Im Energiestufen-Diagramm des Kalium-Atoms sind 19 Elektronen auf vier Energiestufen verteilt. Das Element Kalium steht demnach im Periodensystem in der 4. Periode und besitzt die Ordnungszahl 19. Die Elektronenkonfiguration in der Atomhüllen von innen nach außen beträgt 2/8/8/1. Das eine Außenelektron verweist auf die I. Hauptgruppe, als Elementefamilie von Kalium.
Betrachtet man die Energiebereiche der Atomhülle vom Kern ausgehend, so können Energiestufen festgelegt werden. Die erste Energiestufe befindet sich direkt um den Atomkern. Hier ist die Anziehungskraft des Atomkerns auf die Elektronen am größten. Die Eigenenergie der Elektronen ist hier am niedrigsten, weshalb sich diese in dieser Energiestufe mit dem geringsten Kernabstand befinden. Nach der ersten Energiestufe folgen weitere mögliche sechs Energiestufen, analog zur Periodenanzahl (7) des Periodensystems. Energiestufen werden auch als Energieniveaus bezeichnet.
Das Schalenmodell nach Bohr
Der dänische Physiker Niels H. Bohr (1885-1962) beschäftigte sich mit der Erforschung der Struktur und Strahlung von Atomen.
Statt von einfachen Kreisbahnen der Elektronen zu sprechen, ordnete ihnen Bohr Energieniveaus zu. Elektronen auf kernnahen Bahnen waren demnach energiearm (niedrige Eigenenergie), solche auf kernfernen Bahnen energiereich (hohe Eigenenergie). Elektronen konnten außerdem durch Energieaufnahme von kernnahen auf kernferne Bahnen angehoben werden (Anregung). Beim Zurückspringen in einen energieärmeren Zustand mussten sie die zuvor aufgenommenen Energie wieder abgeben. Dies geschah in Form elektromagnetischer Strahlung, also UV-Strahlung, sichtbaren Lichtes bzw. IR-Strahlung. Diese ist als Wärmestrahlung fühlbar und war messbar. So konnte man die Elektronen einem bestimmten Energieniveau zuordnen.
Die sieben getrennt übereinander liegenden Elektronenschalen des Bohrschen Atommodells (bzw. die Energieniveaus) wurden von innen nach außen mit den Buchstaben K, L, M, N, O, P und Q (= Perioden) bezeichnet, welche den Energiestufen 1-7 entsprechen. Nach dem Bohrschen Atommodell bewegen sich Elektronen auf Kreisbahnen bestimmter Energie.
© Belinda Flemming: Schalenmodell nach Bohr und Zuordnung der max. Besetzung mit Elektronen, CC BY-SA
Für die Besetzung der Elektronenschalen mit der maximalen Anzahl an Elektronen gilt die einfache Regel 2\(n^2\) , wobei für n die Periodenzahl (= Energieniveau, Energiestufe) einzusetzen ist. Achtung: Wie viele Elektronen tatsächlich auf den Elektronenschalen liegen, ist abhängig vom jeweiligen Element und dessen Stellung im Periodensystem.
Jedes Atom strebt danach seine Außenschale vollständige mit 8 Elektronen aufzufüllen und dadurch Edelgaskonfiguration (genauso viele Elektronen wie das nächststehende Edelgas zu haben) als besonders stabilen, energiearmen Zustand zu erlangen. Die Betrachtung der Schalen als unterschiedliche Energieniveaus dient der Erklärung unterschiedlicher Eigenschaften der Atome.
Grundsätzlich gilt:
Je größer der Kernabstand, umso geringer ist seine Anziehungskraft auf die Elektronen und umso leichter können diese Elektronen aus der Atomhülle entfernt werden. Die inneren Elektronenschalen dienen zusätzlich als Abschirmung der Kernanziehungskraft. Nur die Elektronen der äußersten Schale (= Valenzelektronen) nehmen an chemischen Reaktionen teil.