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Das Schalenmodell

Einleitung - Rosinenkuchenmodell - Kern-Hülle-Modell - Schalenmodell - Periodensystem

Das Kern-Hülle-Modell ist recht beschränkt

Mit dem Kern-Hülle-Modell können wir schon einige Phänomene erklären, aber längst noch nicht alle. Vor allem kann das Kern-Hülle-Modell von Rutherford nicht das chemische Verhalten der Elemente erklären: Warum sind Natrium und Kalium so äußerst reaktionsfreudig, und warum reagieren die Edelgase überhaupt nicht mit anderen Elementen oder Stoffen?

Was macht ein Chemiker, wenn er mit seinem Atommodell wichtige Phänomene aus Alltag oder Experiment nicht erklären kann? Er erweitert das Atommodell. Genau das werden wir jetzt mit dem Kern-Hülle-Modell machen, es erweitern.

Ionen und Ionisierungsenergie

Ionen haben wir bereits kennengelernt, nämlich bei der Elektrolyse von Zinkbromid. Mit dem Rosinenkuchenmodell konnten wir die Existenz von Ionen leicht erklären: positive Ionen haben Elektronen abgegeben, negative Ionen haben Elektronen zuviel.

Nun geben Atome ihre Elektronen aber nicht einfach so ab. Die Hauptmasse des Atoms ist nach dem Rosinenkuchenmodell positiv geladen, während Elektronen eine negative Ladung tragen. Positiv und Negativ ziehen sich aber gegenseitig an. Diese Anziehungskraft muss erst überwunden werden, wenn man ein Elektron von dem Atom abtrennen möchte. Damit wären wir bei einer wichtigen Definition:

Die Energie, die man benötigt, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen, nennt man Ionisierungsenergie.

Für Experten:
Ermittlung der Ionisierungsenergie

Zunächst muss das Element im gasförmigen Zustand vorliegen. Einen Stoff wie Natrium muss man also erst mal ziemlich erhitzen.

Das gasförmige Element wird dann weiter erhitzt, und zwar solange, bis das Gas anfängt, den elektrischen Strom zu leiten. Dann liegen nämlich die ersten Ionen vor.

Bei einigen Elementen kann man auch eine sogenannte Franck-Hertz-Röhre verwenden: man verwendet das zu untersuchende Element als Kathode und legt zunächst eine niedrige elektrische Spannung an, damit sich das Element erwärmt. Dann erhöht man die Spannung solange, bis sich die ersten Elektronen aus dem Element lösen und zur Anode fliegen. Jetzt kann man einen Strom messen. Man braucht jetzt nur noch am Spannungsmessgerät ablesen, bei wieviel Volt Spannung der erste Strom zu beobachten ist.

Wenn man auf die im Expertenkasten dargestellte Weise die ersten 21 Elemente des Periodensystems untersucht und die ermittelten Ionisierungsenergien gegen die Ordnungszahl aufträgt, so erhält man folgende Graphik:

Die Ionisierungsenergien der ersten 21 Elemente

Die Ionisierungsenergien der ersten 21 Elemente

Betrachtet man diese eindrucksvolle Graphik, kann man drei wichtige Beobachtungen machen:

Beobachtung 1
Innerhalb einer Periode nimmt die Ionisierungsenergie zu:
Innerhalb einer Periode nimmt die Ionisierungsenergie zu
Beobachtung 2:
Innerhalb einer Gruppe nimmt die Ionisierungsenergie ab:
Vom Helium zum Neon zum Argon nimmt die Ionisieriungsenergie ab
Beobachtung 3:
Beim Übergang von einer Periode zur nächsten sinkt die Ionisierungsenergie schlagartig:
Schlagartige Abnahme der Ionisierungsenergie beim Wechsel der Perioden

Hier haben wir bereits einen ersten Hinweis auf das chemische Verhalten der Elemente: die besonders reaktionsfreudigen Alkalimetalle haben alle eine sehr niedrige Ionisierungsenergie, während die extrem reaktionsträgen Edelmetalle durchweg eine sehr hohe Ionisierungsenergie haben. Nicht ganz in dieses Bild passen allerdigs die Halogene, also die Elemente der 7. Hauptgruppe wie Fluor, Chlor und Brom. Diese Elemente sind ebenfalls sehr reaktionsfreudig, haben aber durchweg hohe Ionisierungsenergien.

Ein Erkärungsmodell

Mit dem Kern-Hülle-Modell kann man die vorliegenden Ergebnisse nicht erklären, auch nicht ansatzweise. Nach dem Kern-Hülle-Modell halten sich alle Elektronen eines Elementes in der Kernhülle auf, und alle 11 Elektronen des Natrium-Atoms, alle 12 Elektronen des Calcium-Atoms und so weiter sind gleichberechtigt.

Sind sie das wirklich? Sind wirklich alle Elektronen eines Atoms gleichberechtigt (gleiche Entfernung vom Atomkern, gleiche Geschwindigkeit, gleicher Energiegehalt) ?

Schauen wir uns dazu noch einen weiteren Versuch an.

Ein Schwefel-Atom wird nach und nach komplett ionisiert

Was hat man hier gemacht? Ein Schwefel-Atom (16 Elektronen) wurde nach und nach komplett ionisiert. Das Entfernen des ersten Elektrons hat noch nicht besonders viel Energie gekostet. Auch das zweite Elektron lies sich noch recht leicht entfernen, das Gleiche gilt für das 3. bis 6. Elektron. Zwischen dem 6. und dem 7. Elektron gibt es einen deutlichen Sprung, dann steigt die Ionisierungsenergie wieder nur leicht an. Einen noch deutlicheren Sprung gibt es zwischen dem 14. und dem 15. Elektron.

Wovon hängt die Ionisierungsenergie ab?

Wenn man sich fragt, von welchen Faktoren die Ionisierungsenergie eigentlich abhängt, kommt man sofort auf zwei wichtige Einflussgrößen.

Die Ladung des Atomkerns

Je stärker der Atomkern positiv geladen ist, desto stärker werden die Elektronen vom Kern angezogen. Hier gilt eine einfache Regel: Ist der Atomkern doppelt so stark geladen, ist auch die Anziehungskraft doppelt so stark. Ein dreifach stark geladener Atomkern zieht die Elektronen mit der dreifachen Stärke an.

Mit dieser einfachen Regel kann man bereits die erste Beobachtung leicht erklären: Die Ionisierungsenergie innerhalb einer Periode des PSE nimmt kontinuierlich zu, weil die Kernladung innerhalb dieser Periode ebenfalls kontinuierlich zunimmt.

Leider kann man die zweite und dritte Beobachtung mit diesem Faktor nicht erklären. Aber es gibt ja noch einen zweiten Faktor, von dem die Anziehungskraft Kern - Elektron und damit die Ionisierungsenergie abhängt:

Die Entfernung zum Atomkern

Je weiter das Elektron vom Atomkern entfernt ist, desto geringer ist die Anziehungskraft Kern - Elektron. Und hier ist die Beziehung etwas komplizierter als bei der Kernladung. Wenn das Elektron doppelt so weit vom Kern entfernt ist, beträgt die Anziehungskraft nur noch ein Viertel. Ist das Elektron dreimal so weit vom Kern entfernt, sinkt die Anziehungskraft auf ein Neuntel. Bei der vierfachen Entfernung auf ein Sechzehntel und so weiter.

Die Beboachtungen 2 und 3 kann man nun mithilfe dieser Tatsache erklären. Aber bevor wir das machen, schauen wir uns noch einmal die Graphik mit dem Schwefel-Atom näher an. Die ersten sechs Elektronen lassen sich relativ leicht aus dem Schwefel-Atom entfernen. Den ersten Einflussfaktor (Kernladung) können wir ignorieren, da sich die Ladung des Schwefel-Kerns nicht ändert, wenn wir Elektronen entfernen. Bleibt also nur noch der zweite Einflussfaktor - Entfernung zum Atomkern. Offensichtlich sind die ersten sechs Elektronen des Schwefel-Atoms ungefähr gleich weit vom Atomkern entfernt.

Das Elektron Nr. 7 ist deutlich schwerer aus dem Atom zu entfernen. Man kann durchaus annehmen, dass sich dieses Elektron näher am Kern befindet bzw. befand als die zuvor entfernten sechs Elektronen. Die nächsten sieben Elektronen (8 bis 14) scheinen sich in der gleichen Entfernung aufzuhalten wie das Elektron Nr. 7.

Das Elektron Nr. 15 ist dann nur extrem schwer aus dem Kern zu entfernen. Da der Kern immer noch die gleiche Ladung besitzt, muss sich logischerweise dieses Elektron viel näher am Kern aufhalten als aller anderen Elektronen, die bisher entfernt worden sind. Das gilt dann auch für das letzte Elektron Nr. 16.

Eine Erklärung

Stellen wir das Ganze doch einmal graphisch dar:

Eine einfache Darstellung des Schalenmodells

Die Graphik ist übrigens ein Ausschnitt aus einem alten Foliensatz, den ich vor Jahren mal angefertigt hatte. Man sieht gut, dass sich die Elektronen 15 und 16 ganz nahe am Kern aufhalten, die Elektronen 7 bis 14 in mittlerer Entfernung und die Elektronen 1 bis 6 weit weg vom Kern.

Solche Experimente und Beobachtungen führten dann Anfang des 20. Jahrhunderts zur Entwicklung des Schalenmodells.

Das Schalenmodell des Atoms

Nach dem Schalenmodell besteht das Atom aus einem positiv geladenem Atomkern und einer negativen Elektronenhülle. Allerdings ist die Elektronenhülle in mehrere Schalen unterteilt.

Auf der K-Schale, der innersten Schale, befinden sich maximal zwei Elektronen.

Auf der L-Schale, der zweitinnersten Schale, finden maximal acht Elektronen Platz.

Auf der M-Schale, der dritten Schale von innen gezählt, haben ebenfalls bis zu acht Elektronen Platz.

Es gibt noch mehr Schalen, die noch weiter vom Atomkern entfernt sind, um die wir uns im Augenblick aber nicht kümmern müssen.

Schauen wir uns einfach mal ein paar Atome an, wie man sie nach diesem Schalenmodell zeichnen müsste.

Die ersten drei Alkalimetalle nach dem Schalenmodell

Auf dieser Abbildung sehen wie die ersten drei Alkalimetalle Lithium, Natrium und Kalium nach dem Schalenmodell. Das Kalium-Atom hat 2 Elektronen auf der K-Schale, 8 Elektronen auf der L-Schale, 8 Elektronen auf der M-Schale und 1 Elektron auf der N-Schale. Wenn man das immer so aufschreiben wollte, wie ich es hier gerade gemacht habe, würde man zu sonst nichts mehr kommen. Daher gibt es eine Kurzfassung dieser Schreibweise, die unter den jeweiligen Atomen zu sehen ist. Diese Kurzfassung wird auch als Elektronenkonfiguration bezeichnet.

Das Argon-Atom im Schalenmodell

Wie man auf dieser Abbildung gut sehen kann, hat das Argon-Atom 8 Elektronen auf der Außenschale, es hat eine vollbesetzte Außenschale! Das gilt übrigens für alle Edelgase. Auch Helium hat eine vollbesetzte Außenschale. Allerdings hat das Helium-Atom nur zwei Elektronen insgesamt, aber diese befinden sich auf der K-Schale, und die K-Schale fasst maximal 2 Elektronen. Also kann man mit Recht sagen, dass Helium eine vollbesetzte Außenschale hat.

Das Neon-Atom hat die Elektronenkonfiguration K2 L8 und besitzt damit ebenfalls eine vollbesetzte Außenschale. Und das Krypton-Atom hat die Elektronenkonfiguration K2 L8 M18 N8 und wieder eine vollbesetzte Außenschale. Die 18 Elektronen auf der M-Schale können wir jetzt noch nicht vernünftig erklären, das geht erst mit dem Orbitalmodell, das in der Jahrgangsstufe 12 (Q2) eingeführt wird.

Zurück zu den drei Beobachungen

Kommen wir zurück zu den drei Beobachungen der Ionisierungsversuche. Die erste Beobachtung hatten wir ja bereits mit der Zunahme der Kernladung erklärt.

Beobachtung 2:
Innerhalb einer Gruppe nimmt die Ionisierungsenergie ab:

Das Abfallen der Ionisierungsenergie innerhalb einer Gruppe kann jetzt auch recht leicht erklärt werden; dazu schauen wir uns die Atome der ersten drei Alkalimetalle noch einmal an.

Das Lithium-Atom besitzt ein Elektron auf der L-Schale. Dieses Elektron kann relativ leicht entfernt werden, es ist weiter vom Atomkern entfernt als die beiden Elektronen der K-Schale.

Das Natrium-Atom besitzt ein Elektron auf der M-Schale. Dieses Elektron kann noch leichter entfernt werden als das Außen-Elektron des Lithium-Atoms. Der Abstand zum Atomkern ist nämlich noch größer.

Das Kalium-Atom besitzt ein Elektron auf der N-Schale. Dieses Elektron ist sehr leicht zu entfernen, da es noch weiter vom Atomkern entfernt ist.

Innerhalb einer Gruppe nimmt die Ionisierungsenergie ab, weil der Abstand der Außenelektronen zum Kern innerhalb der Gruppe immer größer wird.

Beobachtung 3:
Beim Übergang von einer Periode zur nächsten sinkt die Ionisierungsenergie schlagartig:

Das Neon-Atom hat eine vollbesetzte Außenschale. Die Ionisierungsenergie ist relativ hoch. Das nächste Atom im PSE ist das Natrium-Atom. Das Na-Atom hat ein Elektron mehr als das Ne-Atom. Dieses eine Elektron passt aber nicht mehr auf die L-Schale, denn die L-Schale fasst maximal 8 Elektronen. Also muss eine neue Schale "angelegt" werden, die M-Schale. Die M-Schale ist aber viel weiter vom Atomkern entfernt als die L-Schale. Das "neue" Elektron des Natrium-Atoms ist jetzt also viel weiter vom Atomkern entfernt als die acht Außenelektronen des Neon-Atoms. Daher ist die Ionisierungsenergie zum Entfernen dieses einen Außenelektrons viel kleiner als die Ionsierungsenergie des Ne-Atoms.

Beim Übergang von einer Periode zur nächsten sinkt die Ionisierungsenergie, weil sich die Außenelektronen auf einer weiter vom Kern entfernten Schale befinden.

Kommen wir jetzt noch einmal auf das Schwefel-Atom zurück. Hier eine Kopie der Abbildung, damit man nicht ständig nach oben scrollen muss:

Ein Schwefel-Atom wird nach und nach komplett ionisiert

Bei der Ionisierung des Schwefels werden zunächst die Außenelektronen entfernt, weil das am leichtesten geht. Offensichtlich hat der Schwefel sechs Außenelektronen auf der äußersten Elektronenschale. Dann folgt eine Schale, die mit acht Elektronen besetzt ist, und als letztes werden die beiden Elektronen entfernt, die ganz nahe am Kern sind - offentlichtlich die beiden Elektronen der K-Schale.

Der Schwefel hätte also nach diesen Versuchsergebnissen die Elektronenkonfiguration K2 L8 M6.