Schalenmodell in der Chemie – Atombau und Schalenmodell

Ein Atom ist nach dem Schalenmodell folgendermaßen aufgebaut: Die positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen befinden sich im positiv geladenen Atomkern. Der Aufbau der Atomhülle besteht aus Atomschalen bzw. Elektronenschalen. Auf diesen Schalen kreisen die negativ geladenen Elektronen in festgelegten Bahnen um den Kern. Jede Schale entspricht einer bestimmten Energiemenge. Die Energiemengen in Portionen bestimmter Größe werden Quanten genannt. Zwischen diesen Bahnen sind verbotene Bereiche, dort können sich die Elektronen nicht aufhalten. Sie können nur zwischen den definierten Quanten springen. So beschreibt in Grundzügen das Atommodell nach Bohr den Aufbau eines Atoms.

Elektronenschalenmodell – Benennung und Anzahl Elektronen pro Schale

Die Elektronenschalen werden ausgehend vom Kern mit Buchstaben bezeichnet, beginnend mit K wird die Benennung alphabetisch nach außen hin fortgeführt: K, L, M, N usw. Die maximale Anzahl an Elektronen unterscheidet sich zwischen den Schalen und lässt sich nach folgender Formel berechnen . n steht dabei für die Schalennummer.

Die K-Schale kann also höchstens zwei Elektronen, die L-Schale höchstens acht Elektronen aufnehmen. Die M-Schale ist mit 18 Elektronen voll besetzt. Wie viele Schalen ein Atom besitzt, lässt sich im Periodensystem (PSE) ablesen: Die Nummer der Periode eines Elements im PSE entspricht der Anzahl der Schalen seines Atoms. Kalium beispielsweise besitzt nach dem Schalenmodell vier Schalen, da es in der vierten Periode im PSE steht. Es lassen sich noch weitere Informationen zum Schalenmodell aus dem Periodensystem entnehmen. Die Nummer der Hauptgruppe beschreibt beispielsweise die Anzahl der Elektronen auf der äußeren Schale. Die Ordnungszahl entspricht der Anzahl der Elektronen und Protonen, ein Element ist also stets neutral geladen. Zieht man die Ordnungszahl von der Massenzahl ab, erhält man die Anzahl der Neutronen. Zum besseren Verständnis ist der Schalenaufbau der Atomhülle in folgender Abbildung am Schalenmodell von Sauerstoff dargestellt:

Sauerstoff hat im PSE die Ordnungszahl acht, besitzt also acht Elektronen in der Hülle und acht Protonen im Kern. Sauerstoff steht in der zweiten Periode, die Atomhülle gliedert sich also in eine voll besetzte K-Schale mit zwei Elektronen und eine unvollständig besetzte L-Schale mit sechs Elektronen.

So sieht Calcium nach dem Schalenmodell aus:

Calcium trägt die Ordnungszahl 20 und ist in der vierten Periode im PSE zu finden.

Grundsätzlich werden die Schalen von innen nach außen befüllt, bis die maximale Anzahl Elektronen pro Schale erreicht ist. Es gibt Ausnahmen von dieser Regel, sodass auch weiter außen liegende Schalen mit Elektronen besetzt sein können, bevor weiter innen liegende Schalen voll sind. Für die Reaktionsfähigkeit eines Elements ist jedoch nur die jeweils äußere Schale interessant.

Die am wenigsten reaktiven Elemente stehen im Periodensystem in der VIII. Hauptgruppe. Die Elemente Neon, Krypton, Xenon, Argon und Radon haben nach dem Schalenmodell acht Außenelektronen auf ihrer jeweils äußersten Schale. Die Elektronen auf der Außenschale werden auch als Valenzelektronen bezeichnet. Nach diesem Zustand, also acht Außenelektronen, streben alle Atome und Elemente. Nur um diesen Zustand zu erreichen, finden chemische Reaktionen statt. Ausnahmen von dieser Regel bilden die Elemente der ersten Periode, Wasserstoff und Helium. Bei diesen beiden Elementen reicht die voll besetzte erste Schale, um den Edelgaszustand zu erreichen. Die reaktivsten Elemente sind die Halogene der VII. Hauptgruppe. Diesen, z. B. Fluor, fehlt im Schalenmodell nur ein Elektron bis zum achten Elektron in der äußersten Schale. Wie kann ein Element mithilfe einer chemischen Reaktion den Edelgaszustand erreichen? Das soll im Folgenden am Beispiel der Reaktion der Atome Natrium und Chlor zu Natriumchlorid (Kochsalz) erläutert werden. Natrium und Chlor sehen nach dem Schalenmodell folgendermaßen aus:

Beide besitzen drei Schalen (K, L, M). Im bohrschen Atommodell verfügt Natrium über ein Valenzelektron. Die darunterliegende L-Schale ist mit acht Elektronen voll besetzt. Würde das Natriumatom also das äußerste Elektron abgeben, läge die L-Schale außen und Natrium hätte den Edelgaszustand erreicht. Chlor hingegen gehört zu den sehr reaktiven Halogenen. Im Chloratom ist die äußere M-Schale mit sieben Elektronen besetzt. Es fehlt also ein Elektron bis zur Edelgaskonfiguration.

Die Reaktion erfolgt so, dass Natrium sein äußerstes Elektron abgibt und zum einfach positiv geladenen Natriumion mit acht Außenelektronen wird. Das Elektron geht vom Natrium zum Chlor über. Dabei entsteht ein negativ geladenes Chloridion im Edelgaszustand. Die beiden unterschiedlich geladenen Ionen ziehen sich gegenseitig an. Zwischen ihnen wird eine Ionenbindung ausgebildet, es entsteht Natriumchlorid.