Schalenmodell (Atomphysik)
K, L, M, N etc.
Basiswissen
Dieses Modell wird häufig in der Chemie verwendet. Es ist eine Vereinfachung des Orbitalmodells: Im Oribtalmodell stellt man sich die Elektronen auf komplizierten 3D-Körper (z. B. Hanteln) verteilt vor. Im Schalenmodell stellt man sich nur kugelförmige Schalen vor. Für viele praktische Zwecke ist das ausreichend.
Was besagt das Schalenmodell?
- Im Schalenmodell stellt man sich die Elektronen auf Kugelschalen um den Atomkern angeordnet vor.
- Man stellt sich die Elektronen aber nicht in Bewegung wie etwa Planeten um die Sonne vor.
- Die Schalen geben nur die Orte im Atom an, an denen man mit hoher Wahrscheinlichkeit Elektronen antreffen würde.
- Das Schalenmodell wird häufig in der Chemie verwendet.
Was sind die wichtigsten Schalen?
- n=1: K-Schale: maximal 2 Elektronen
- n=2: L-Schale: maximal 8 Elektronen
- n=3: M-Schale: maximal 18 Elektronen
- n=4: N-Schale: maximal 32 Elektronen
- n=5: O-Schale: maximal 50 Elektronen
Wofür steht das kleine n?
- Das kleine lateinische n ist die sogenannte Hauptquantenzahl.
- n=1 bezeichnet die dem Atomkern am nächten liegende Schale, also die K-Schale.
- Im Schalenmodell gilt: je größer das n, desto weiter vom Kern entfernt sind die Elektronen.
- Die Formel 2·n² gibt die maximale Anzahl von Elektronen in der n-ten Schale an.
- Beispiel: in der M-Schale ist k=3, also rechnet man: 2·3² = 18 ✔
Was sind Valenzelektronen?
- Das sind die Elektronen auf der äußersten Schale von den tatsächlich besetzten Schalen.
- Die Anzahl der Valenzelektronen bestimmt sehr weitgehend das chemische Verhalten eines Elementes.
Was besagt die Oktettregel?
Die Oktettregel oder Acht-Elektronen-Regel besagt, dass Atome der Hauptgruppenelemente ab der zweiten Periode des Periodensystems in Molekülen maximal acht äußere Elektronen (Valenzelektronen) bzw. vier Paare beträgt. Das heißt: liegt ein Atom in einem Molekül vor, dann wird es ab einschließlicher der L-Schale (n=2) alle Schalen möglichst mit 8 Elektronen besetzen. Die Formel 2·n² für die maximale Anzahl von Elektronen gilt also für Hauptgruppenelemente in Molekülen nicht. Siehe auch Oktettregel ↗
Was besagt die 18-Elektronen-Regel?
Die 18-Elektronen-Regel besagt, dass Atome der Nebengruppenelemente in Verbindungen dazu neigen, ihre äußerste Schale mit genau 18 Elektronen zu besetzen (und nicht mit 8 wie die Elemente der Hauptgruppen). Mehr dazu unter 18-Elektronen-Regel ↗
Was bedeutet K² L⁸ M⁸ N¹?
- Die hochgestellten Zahlen geben an, wie viele Elektronen sich in der Schale befinden.
- Auf der K-Schale befinden sich genau 2 Elektronen.
- Auf der L- und M-Schale befinden sich je 8 Elektronen.
- Auf der N-Schale befindet sich genau ein Element.
Was sagt die Schale über die Bindungsenergie?
- Je weiter vom Kern entfernt die Elektronen sind, desto schwächer sind sie an das Atom gebunden.
- Man kann also verallgemeiner: große Hauptquantenzahl entspricht niedriger Bindungsstärke.
Welchen Bezug gibt es zum Periodensystem?
- Die Anzahl der Schalen eines Elementes entspricht der Elemente der Nummer der Periode
- Die Perioden verlaufen im Periodensystem von links nach rechts (waagrecht).
- Elemente der 1. Periode haben eine Schale
- Elemente der 2. Periode zwei Schalen
- Elemente der 3. Periode drei Schalen
- Siehe auch Periodensystem ↗
Warum fangen die Namen bei K an?
- 1912 führte Prof. Charles Glover Barkla diese Bezeichnungen ein.
- Zu der Zeit gab es die Namen A, B etc. schon für die Absorptionslinien des Sonnenlichts.
- Barkla dachte, dass man noch viele weitere Absorptionslinien finden würde und deshalb die Buchstaben D, E, F etc. brauchen wird.
- Um Überschneidungen mit den Schalennamen zu vermeiden, ließ er diese vorsorglich in der Mitte des Alphabets beginnen.
Was kann das Modell gut erklären?
Mit dem Schalenmodell der Atome lassen sich verschiedene Eigenschaften der Elemente gut erklären, da jedes Atom seine Edelgaskonfiguration, acht Elektronen in der Außenschale, „anstrebt“. Dazu drei Beispiele:
- Alkalimetalle besitzen nur ein einziges Außenelektron (Valenzelektron) und können dieses daher besonders leicht abgeben; d. h., ihre Ionisierungsenergie ist gering. Daher sind Alkalimetalle besonders reaktiv.
- Den Halogenen fehlt nur ein Elektron für eine voll besetzte Außenschale, daher nehmen sie leicht Elektronen von anderen Elementen auf (z. B. von Natrium) und sind dadurch ebenfalls sehr reaktiv.
- Die Edelgase besitzen bereits eine voll besetzte Außenschale und zeigen daher überhaupt keine „Neigung“, chemische Reaktionen einzugehen.
Was sind die Grenzen des Schalenmodells?
Es gibt Phänomene, die das atomare Schalenmodell nicht erklären kann. Dazu gehört vor allem die räumliche Gestalt der Moleküle. Warum hat z. B. das Methan (CH4) eine tetraederförmige Gestalt, oder warum ist das Wassermolekül gewinkelt? Diese Phänomene lassen sich aus dem Schalenmodell nicht herleiten.
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