Chemie Grundlagen

Schalenmodell

Das Schalenmodell ist die Grundlage für das Orbitalmodell . Wir zeigen dir in diesem Beitrag, wie das Modell aufgebaut ist und was es zum Bohrschen Atommodell unterscheidet.

In unserem Video findest du alle Informationen zusammengefasst dargestellt. Schau doch hier mal rein.

Inhaltsübersicht

Schalenmodell einfach erklärt

Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern und einer Atomhülle, welche wiederum aus Elektron zusammengesetzt ist. Nun gibt es verschiedene Modelle, die erklären wie sich ein Elektron um den Atomkern bewegt. Eines davon ist das Schalenmodell, welches eine Weiterentwicklung des Bohrschen Atommodells darstellt und als Grundlage für das Orbitalmodell dient.

Bei dem Schalenmodell bewegen sich die Elektronen in kreisförmigen Schalen um den Atomkern. Der Kern des Atoms stellt gleichzeitig auch den Mittelpunkt aller Schalen dar. Die Elektronen des Atoms bewegen sich somit nicht beliebig in der Elektronenhülle. Für sie kann eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit auf den unterschiedlichen Schalen berechnet werden. Dafür wird eine Wahrscheinlichkeitsfunktion benötigt, die aus einer Lösung der Schrödinger Gleichung errechnet werden kann. In dem erweiternden Orbitalmodell wird diese Wahrscheinlichkeitsfunktion dann über Aufenthaltsräume anstatt von Schalen abgebildet. Diese Räume werden auch als Orbitale bezeichnet.

Schalenmodell Chemie

Die Schalen befinden sich unterschiedlich weit entfernt von dem positiv geladenen Atomkern. So werden Elektronen, die sich näher am Kern befinden auch stärker von diesem angezogen als Elektronen, die weiter von diesem entfernt sind. Damit ist auch die Bindungsenergie von Elektronen näher am Kern höher.

Elektronenschalen

Die Elektronenschalen um den Atomkern haben unterschiedliche Namen. Die erste Schale direkt nach dem Kern wird K-Schale genannt, die zweite ist die L-Schale, die dritte die M-Schale und danach kommt die N-Schale. Wie viele Schalen dabei ein Atom besitzt, findest du über das Periodensystem heraus. Die Periode, in welcher das Atom steht legt das fest. So hat Wasserstoff, das in der ersten Periode steht, auch nur eine Schale. Natrium hingegen steht in der dritten Periode und hat drei Schalen. Es besitzt eine K-, eine L- und eine M-Schale.

Jede einzelne Schale kann dabei nicht beliebig viele Elektronen des Atoms aufnehmen. Die erste kann lediglich zwei, die zweite 8 und die M-Schale bereits 18 Elektronen aufnehmen. Für die Besetzung der Schalen kannst du dir folgende Formel merken:

e = 2 \cdot n^2

Dabei ist e die Anzahl der Elektronen, die in die Schale passen und n entspricht der Nummer der Schale vom Atomkern ausgehend.

Elektronenschalen K-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schale
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Elektronenschalen

Um nun die Schalen eines speziellen Atoms zu bestimmen, musst du zunächst herausfinden, wie viele Elektronen sich in der Hülle des Atoms befinden. Diese Anzahl ist gleich der Ordnungszahl des Atoms. Die Ordnungszahl kann aus dem Periodensystem entnommen werden. Beim Befüllen der Schalen gehst du nun von dem Atomkern aus und legst zwei Atome in die K-Schale. Daraufhin legst du 8 in die L-Schale und so weiter, bis es keine Elektronen mehr zur Verteilung gibt.

Die Elektronen auf der äußersten Schale bestimmen dann das Bindungsverhalten des Atoms maßgeblich. Sie werden auch Valenzelektronen oder Außenelektronen genannt. Über die verschiedenen Bindungsarten in der Chemie kannst du dir hier einen Überblick verschaffen.

Atomhülle

Mit dem Modell können einige Eigenschaften verschiedener Elemente gut erklärt werden. Zum Beispiel sind die Edelgase sehr unreaktiv, da ihre Schalen bereits voll besetzt sind und sie einen energetisch günstigen Zustand gemäß der Oktettregel bereits erreicht haben.

Andere Atome, die zum Beispiel nur ein Valenzelektron besitzen, geben dieses gerne ab. Sie besitzen daher eine niedrige Ionisierungsenergie. Das trifft auf die Alkalimetalle zu.

Die Gruppe der Halogene aber nimmt ein Elektron gerne auf, da ihnen das eine Elektron fehlt, um eine vollbesetzte äußere Schale zu erreichen. So gehen die Halogene gerne Bindungen mit den Alkalimetallen ein.

Schalenmodell - Natrium
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Schalenmodell – Natrium

Dennoch gibt es aber auch Schwächen des Modells. Und zwar lässt das Schalenmodell die räumliche Anordnung der Moleküle weitest gehend außer betracht. Das Modell bietet keine Antwort auf Fragen, wieso Moleküle gewinkelt oder in bestimmte Strukturen vorliegen. Dafür musst du dann das Orbitalmodell benutzen.

Schalenmodell Kern

In der Chemie gibt es nicht nur ein Schalenmodell der Elektronenhülle, sondern auch des Atomkerns. Dabei wird mithilfe der Quantenmechanik die Bewegung der Nukleonen beschrieben. Die Nukleonen sind die Teilchen in einem Atomkern. Sie lassen sich untergliederen in Neutronen und Protonen. Die Nukleonen bewegen sich im Atomkern in einem Potentialfeld, das kein Zentrum hat, sondern von den Teilchen im Kern erzeugt wird.

Die Besetzung der Schalen im Kern erfolgt nach dem Pauli Prinzip . Dabei ist ein Kern besonders stabil, wenn er voll besetzte oder leere Schalen hat. Falls ein Kern so besonders stabil ist, wird er auch als magischer Kern bezeichnet. Jeder magische Kern muss eine bestimmte Anzahl an Neutronen und Protonen haben, um diesen stabilen Grundzustand zu erreichen. Diese Zahl wird daher auch magische Zahl genannt.

Schalenmodell Bohr

Wir haben anfangs erwähnt, dass das Schalenmodell auf dem Bohrschen Atommodell aufbaut. Beide Modelle haben gemeinsam, dass sich die Elektronen nicht willkürlich um einen Atomkern bewegen, sondern auf Kreisbahnen oder eben Schalen.

Ein Unterschied hingegen ist, dass im Schalenmodell für das Elektron Aufenthaltswahrscheinlichkeiten bestimmt werden können. Im Bohrschen Atommodell bewegen sich die Elektronen auf Kreisbahnen. Im Schalenmodell hingegen liegen die Elektronen in den Schalen und müssen sich nicht unbedingt auf Kreisbahnen bewegen, sondern können auch elliptisch um den Atomkern kreisen.

Eine weitere Gemeinsamkeit sind die verschiedenen Energieniveaus. Bohr postulierte, dass es die diskreten Niveaus für die Kreisbahnen gibt. Auch die Schalen haben unterschiedliche Energien. Solche diskreten Energieniveaus werden durch die Ionisierungsenergie  festgestellt. Das ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron von einem ungeladenen Atom abzuspalten und somit ein Ion zu erzeugen.


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