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Schalenmodell

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Kommen wir noch einmal auf die Elektrolyse von Zinkbromid, Magnesiumchlorid oder anderen Salzen zurück, die man an sich gut mit dem THOMSONschen oder dem RUTHERFORDschen Modell erklären kann: An der positiven Elektrode geben die Anionen Elektronen ab, weil dort ein Elektronenmangel herrscht. An der negativen Elektrode nehmen die Kationen Elektronen auf, weil dort Elektronen im Überschuss vorhanden sind. Aus den Anionen und aus den Kationen werden auf diese Weise neutrale Atome.

Aber warum ist das Magnesium-Kation zweifach positiv, das Natrium-Kation aber nur einfach? Wieso sind Aluminium-Kationen sogar dreifach positiv, während Sauerstoff überhaupt keine Kationen bildet, sondern zweifach negative Anionen, im Gegensatz zu Chlor, das nur einfach negativ geladene Anionen bildet. Edelgase wie Neon wiederum bilden weder Anionen noch Kationen.

Atome werden zu Anionen oder Kationen

Atome werden zu Ionen (Kationen bzw. Anionen)

"Beweise" für das Schalenmodell

Wie kann man all diese Phänomene erklären? Mit dem RUTHERFORDschen Kern-Hülle-Modell geht das jedenfalls nicht.

Betrachten wir einmal ein Schwefel-Atom. Der Atomkern besteht aus 16 Protonen und 16 Neutronen. Nach dem Kern-Hülle-Modell kreisen 16 Elektronen in der Hülle. Diese Elektronen werden vom Atomkern angezogen. Um ein Elektron aus dem Schwefel-Atom zu entfernen, muss also Energie aufgewandt werden, die sogenannte Ionisierungsenergie.

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Ionisierungsenergien vom Schwefelatom

Will man nur ein Elektron aus dem Schwefel-Atom entfernen, ist die Ionsisierungsenergie noch recht klein (10,4 Einheiten). Auch für das zweite Elektron braucht man nicht viel mehr Energie (23,4 Einheiten). Genauso für das dritte (35,0), vierte (47,3), fünfte (72,5) und sechste Elektron (88,0). Allerdings steigt der erforderliche Energiebetrag mit jedem Elektron an, das bereits entfernt wurde. Aber dieser Anstieg ist kaum der Rede wert.

Will man jedoch das siebte Elektron entfernen, muss plötzlich sehr viel mehr Ionisierungsenergie aufgewandt werden, nämlich 281,0 eV (Elektronenvolt, eine Energieeinheit für sehr kleine Energien, wie sie bei atomaren Phänomenen auftreten). Die Elektronen Nr. 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14 erfordern ähnlich viel Energie (bis 707,1 eV); auch hier steigt die Ionisierungsenergie mit jedem entfernten Elektron leicht - aber wirklich nur leicht - an.

Man hat jetzt 14 Elektronen aus dem Schwefel-Atom entfernt. Nun will man das 15. Elektron vom Atom abtrennen. Und der Energiebetrag, der hierfür notwendig ist, ist mit 3223,8 eV noch viel höher als der Betrag für das 14. Elektron. Auch für das letzte Elektron muss man extrem viel Ionisierungsenergie aufwenden (3494,0 eV).

Wie kann man diesen Befund erklären?

Sie haben es schon geahnt: Mit dem Schalenmodell natürlich.

Die Elektronen bewegen sich nicht mehr in einer einheitlichen Kernhülle, sondern auf verschiedenen Bahnen in verschiedenen Abständen vom Atomkern. Die innerste Bahn oder Schale mit dem geringsten Abstand fasst zwei Elektronen. Diese Schale wird als K-Schale bezeichnet. Die nächste Schale, die L-Schale, hat schon einen größeren Abstand zum Atomkern. Auf dieser Schale können acht Elektronen untergebracht werden. Auf der nächsten Schale, der M-Schale, können wieder acht Elektronen untergebracht werden. Diese Schale ist noch weiter vom Atomkern entfernt.

Das Schwefel-Atom sieht nach dem Schalenmodell so aus:

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Ein Schwefel-Atom nach dem Schalenmodell

Die Neutronen im Atomkern wurden hier nicht mit eingezeichnet, um das Bild nicht unnötig groß zu machen.

Auf der äußeren Schale, der M-Schale, befinden sich sechs Elektronen. Um diese sechs Elektronen zu entfernen, benötigt man nur eine geringe Ionisierungsenergie. Die Elektronen sind recht weit vom Atomkern entfernt und können daher einigermaßen leicht abgetrennt werden.

Auf der mittleren Schale, der L-Schale, befinden sich acht Elektronen. Zur Abtrennung dieser acht Elektronen ist schon eine deutlich höhere Ionisierungsenergie erforderlich.

Auf der inneren Schale, der K-Schale, befinden sich nur zwei Elektronen. Mehr können auf der K-Schale nicht untergebracht werden. Will man diese beiden Elektronen vom Atom abtrennen, muss man schon sehr viel Ionisierungsenergie aufwenden.

Das Schalen-Modell von Nils Bohr

Das Schalenmodell des Atoms hat der dänische Chemiker Nils Bohr (1885 - 1962) im Jahre 1913 entwickelt hat. Danach besteht ein Atom - genau wie im Kern-Hülle-Modell - aus einer Atomhülle mit den Elektronen und einem Atomkern mit den Protonen (und Neutronen). Allerdings untergliedert sich die Hülle in mehrere Kugelschalen, die eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen können. Die innerste Kugelschale, die K-Schale, kann genau zwei Elektronen aufnehmen, die zweitinnerste Schale, die L-Schale, fasst schon acht Elektronen, die dritte Schale, die M-Schale, bietet 18 Elektronen Platz und so weiter.

Das Schalen-Modell
  • Atome bestehen aus kleinen unteilbaren Kugeln.
  • Jedes Element besteht aus einer eigenen Atomsorte. Es gibt also genau soviele Atomsorten, wie es Elemente gibt.
  • Jede Atomsorte hat einen bestimmten Radius und eine bestimmte Masse.
  • Chemische Reaktionen sind Teilchengruppierungen: Bei einer Reaktion gruppieren sich die Atome der Ausgangsstoffe lediglich um. Weder werden Atome vernichtet, noch entstehen neue.
  • Atome enthalten eine gleiche Anzahl von positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen, daher sind Atome nach außen hin elektrisch neutral.
  • Die Protonen sind in einem winzigen Atomkern konzentriert, die Elektronen befinden sich weiter außen in einer Elektronenhülle.
  • Die Elektronenhülle besteht aus mehreren Schalen; jede Schale fasst eine bestimmte maximale Anzahl von Elektronen: K-Schale 2, L-Schale 8, M-Schale 18 etc.
  • Atome können Elektronen abgeben und werden dann zu elektrisch positiv geladenen Kationen.
  • Atome können Elektronen aufnehmen und werden dann zu elektrisch negativ geladenen Anionen.
Neon, Magnesium und Chlor nach dem Schalenmodell

Neon, Magnesium und Chlor nach dem Schalenmodell

Links sehen wir das Modell des Neon-Atoms, vereinfacht gezeichnet nach dem Schalen-Modell. Die Vereinfachung besteht darin, dass die Schalen eigentlich nicht kreisförmig sind, sondern kugelförmig, also dreidimensional. Man sieht den Atomkern (die Neutronen wurden nicht eingezeichnet) und zwei Schalen. Die K-Schale (innen) enthält zwei Elektronen, die L-Schale acht Elektronen.

In der Mitte sieht man das Magnesium-Atom. Die beiden inneren Schalen sind voll besetzt, die äußere M-Schale enthält genau zwei Elektronen.

Ganz rechts ist das Chlor-Atom nach dem Schalenmodell dargestellt. Die dritte Schale besitzt beim Chlor sieben Elektronen.

Die Elektronenkonfiguration (ein neues, wichtiges Wort, bitte gut merken) ist beim Chlor-Atom K2 L8 M7. Die beiden inneren Schalen sind also voll besetzt, die Außenschale (auch wieder ein neues wichtiges Wort) enthält sieben Elektronen und ist noch nicht voll besetzt.

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