Chemie Klasse 9 > Atombau

Atombau 4

Das Schalenmodell

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.
Dieser Text wurde von Ulrich Helmich (www.u-helmich.de) geschrieben

Ionen und Ionisierungs-
energie

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.

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

Wenn man auf die rechts dargestellte Weise die ersten 20 Elemente des Periodensystems untersucht und die Ionisierungsenergien gegen die Ordnungszahl aufträgt, so erhält man folgende Graphik:

Abb. 1: Ionisierungsenergien der ersten Elemente

Hier kann man drei wichtige Beobachtungen machen:

  1. Innerhalb einer Periode nimmt die Ionisierungsenergie zu (z.B. vom Li zum Ne).
  2. Innerhalb einer Gruppe nimmt die Ionisierungsenergie ab (vergleiche He, Ne und Ar).
  3. Beim Übergang von einer Periode zur nächsten sinkt die Ionisierungsenergie schlagartig (z.B. Übergang vom Ne zum Na).

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.
Tut mir leid, wenn ich solchen vesteckten Text auf meiner Homepage unterbringe, aber das erschwert das unerwünschte Kopieren meiner Texte.

Diese Ionisierungsenergie kann man wie folgt messen:
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.

Ein Erkärungs-
Modell

Es scheint fast so, als ob reaktionsfreudige Elemente ihre Elektronen besonders leicht abgeben, während Edelgase ihre Elektronen besonders gerne behalten.

Abb. 2: Modell zur Ionisierungsenergie

Die Abb. 2 schlägt ein Modell zur Erklärung der Beobachtungen vor. Die Kraft, mit der die Elektronen eines Atoms angezogen werden, hängt von zwei Faktoren ab: der Kernladungszahl Z und dem Kern-Elektron-Abstand r.

Je größer die Kernladungszahl, desto stärker wird ein Elektron angezogen, und je größer der Radius, desto weniger stark wird es angezogen (weil der Radius ja in der Formel unter dem Bruchstrich steht).

Wie man an der Formel leicht erkennen kann, ist der Einfluss des Radius wichtiger als der Einfluss der Kernladungszahl, denn der Radius steht im Quadrat unter dem Bruchstrich: doppelter Radius = ein Viertel Anziehungskraft.

Von der Anziehungskraft hängt die Ionisierungsenergie eines Atoms direkt ab: Je größer F, desto größer auch die Energie, die notwendig ist, um ein Elektron aus dem Atom zu entreißen.
Es gibt mehrere Websites im Internet, die meine Texte, ohne mich zu fragen und ohne meinen Namen zu nennen, veröffentlichen.

Deutung der Beobachtungen

Nun sind wir in der Lage, die Beobachtungen, die auf der ersten Folie notiert waren, zu deuten:

Innerhalb einer Periode nimmt die Kernladungszahl der Atome zu. Dadurch steigt die Ionisierungsenergie.

Innerhalb einer Gruppe nimmt der Abstand zwischen Kern und Elektron zu, gleichzeitig nimmt aber auch die Kernladungszahl zu. Da der Einfluss des Radius aber stärker ist (r steht zum Quadrat unter dem Bruchstrich, Z nur in der 1. Potenz), nimmt die Ionisierungsenergie innerhalb einer Gruppe von oben nach unten ab.

Beim Übergang von einer Periode zur nächsten, z.B. beim Übergang vom Neon zum Natrium, nimmt der Abstand Kern-Elektron schlagartig zu. Es wird sozusagen eine neue Schale "aufgemacht", um das nächste Elektron unterzubringen.

Abb. 3: Das Schalenmodell (Folie)

Hier sehen wir bereits ein Bild des neuen Atommodells (sozusagen ein Modell vom Modell). Beim Neon-Atom befinden sich zwei Elektronen auf der innersten Schale, der K-Schale, und acht Elektronen auf der zweiten Schale, der L-Schale.

Wieso die K-Schale zwei und die L-Schale acht Elektronen fasst, geht aus den Ionisierungsenergien hervor. Der erste große Sprung tritt beim Übergang vom Helium zum Lithium auf - nach den ersten beiden Elektronen also, die untergebracht werden müssen.

Und der zweite große Sprung tritt nach acht weiteren Elektronen auf.

Geistreiche Frage jetzt: wieviel Elektronen passen auf die hier nicht eingezeichnete M-Schale? Natürlich auch acht Elektronen, denn der dritte Sprung in den Ionisierungsenergien tritt nach acht weiteren Elektronen auf.
Dieser Text wurde von Ulrich Helmich (www.u-helmich.de) geschrieben

Hier sehen wir ein gutes Beispiel dafür, wie man aus experimentellen Daten, die nicht allzu aufwändig zu erhalten sind (leider zu aufwändig für einen Schulversuch), ein komplett neues Atommodell erstellen kann.

Ein kritischer Forscher muss sich natürlich zwei Fragen stellen:

Erstens:
Sind auch alternative Modellvorstellungen denkbar, die die Versuche mit der Ionisierungsenergie erklären können?

Zweitens:
Werden durch die Modellvorstellung mit den Elektronenschalen tatsächlich alle Beobachtungen des Versuchs erklärt?

Die Antwort auf die erste Frage lautet: Ja, aber das Schalenmodell ist die einfachste Erkärung für die Versuchsergebnisse.

Die Antwort auf die zweite Frage ist: Nein, so wird z.B. nicht erkärt, warum die Ionisierungsenergie des Berylliums größer ist als die des Bors.

Schalenmodell

Nach dem Schalenmodell ist Kernhülle in unterschiedliche Elektronenschalen aufgeteilt. Die innerste Schale, die K-Schale, kann maximal zwei Elektronen aufnehmen, alle anderen Schalen fassen maximal acht Elektronen.

Schauen wir uns nun das Schwefel-Atom im Schalenmodell an:

Abb. 4: Das Schwefel-Atom gemäß dem Schalenmodell (Folie)

Die Elektronenkonfiguration ist so zu lesen: zwei Elektronen auf der K-Schale, 8 auf der L-Schale und 6 auf der M-Schale.

Dieser Text wurde von Ulrich Helmich (www.u-helmich.de) geschrieben

Die Sache mit der Elektronenkonfiguration ist gar nicht mal so schlecht. Es befreit einen von der lästigen Arbeit, immer sämtliche Schalen fein säuberlich mit dem Zirkel zu zeichnen und dann auch noch die vielen Elektronen einzuzeichnen.

Das Sauerstoffatom hat z.B. die Elektronenkonfiguration K2L6, der Stickstoff K2L5, das Chlor K2L8M7, das Brom K2L8M8N7 und so weiter.

Das Atom mit der einfachsten Elektronenkonfiguration ist natürlich das H-Atom: K1.

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Das Kern-Hülle-Modell

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(C) Ulrich Helmich im Mai 2004

 

 





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