Chemische Grundlagen
Bindungsmodelle
 – Video

Das Schalenmodell gehört zu den wichtigen Atommodellen in der Chemie. Wie Atome dort aufgebaut sind und wie es sich von anderen Modellen unterscheidet, erfährst du hier oder im Video .

Schalenmodell einfach erklärt

Das Schalenmodell ist ein Modell, um den Aufbau von Atomen zu beschreiben. Es basiert auf dem Bohrschen Atommodell. Das Schalenmodell beinhaltet zwei zentrale Punkte:

  • die Elektronen bewegen sich in sogenannten Schalen um den Kern
  • im Atomkern befinden sich die Protonen und Neutronen

Die Schalen kannst du dir wie einzelne Schichten um den zentralen Atomkern vorstellen — ähnlich wie bei einer Zwiebel.

Die Schalen sind einfach gesagt der Aufenthaltsraum der Elektronen. Deshalb nennst du sie oft auch Elektronenschalen.

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Schalenmodell für Sauerstoff

Die Schalen haben unterschiedliche Abstände zum Atomkern. Außerdem benennst du sie von innen nach außen mit verschiedenen Buchstaben von einem „K“ ausgehend. (K, L, M…).

Besetzung der Schalen

Damit du ein chemisches Element im Schalenmodell darstellen kannst, ist es wichtig zu wissen, wie viele Elektronen in eine Schale hineinpassen. Denn jede Schale kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen.

Denn die Schalen unterscheiden sich darin, wie viele Elektronen sich dort aufhalten können. Zusätzlich benennst du die Schalen mit einem Buchstaben. Nachfolgend findest du eine Übersicht:

  • erste Schale: K-Schale, Platz für 2 Elektronen
  • zweite Schale: L-Schale, Platz für 8 Elektronen
  • dritte Schale: M-Schale, Platz für 18 Elektronen
  • vierte Schale: N-Schale, Platz für 32 Elektronen
Elektronenschalen K-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schale
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Elektronenschalen

Die Anzahl der Elektronen einer Schale berechnest du mit nachfolgender Formel. Dabei steht n für die Nummer der Schale ausgehend vom Atomkern und e für die Anzahl der Elektronen:

e = 2 \cdot n^2

Merke: Für Elemente mit einer Ordnungszahl unter 20 werden auf der M-Schale nur acht Elektronen verteilt.

Schalenmodell Beispiel: Natrium

Nachfolgend siehst du das Schalenmodell von Natrium (Na) als Beispiel für die Besetzung der Schalen.

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Schalenmodell für Natrium

Natrium ist das elfte Element im Periodensystem.

Da die Ordnungszahl der Anzahl an Elektronen entspricht, hat ein Natriumatom 11 Elektronen. 2 Elektronen befinden sich in der K-Schale, 8 in der L-Schale und ein Elektron in der M-Schale. Hierbei ist wichtig, dass eine Schale immer erst voll besetzt wird, bevor ein Elektron in die nächste Schale kommt.

Die äußerste Elektronenschale nennst du auch Valenzschale.

Aber aufgepasst: Bei Elementen mit mehr als 20 Elektronen kommt das Schalenmodell an seine Grenzen. Denn nach dem Element Calcium (Ca) mit der Ordnungszahl 20 beginnen die Nebengruppenelemente. Die Verteilung ihrer Elektronen beschreibt das Schalenmodell nicht ausreichend gut. Deshalb ist ihre Beschreibung erst genau, wenn du das Orbitalmodell verwendest.

Elementeigenschaften

Das Schalenmodell hilft dir dabei, die Eigenschaften sowie die Reaktivität verschiedener chemischer Elemente zu verstehen. Die Triebkraft hinter Bildung von chemischen Bindungen durch chemische Reaktionen ist, dass die Atome die Oktettregel erreichen möchten. Das zeigen wir dir an einigen Beispielen.

Alkalimetalle

Die Alkalimetalle stehen in der ersten Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente . Wenn du Lithium, Natrium und Kalium im Schalenmodell beschreibst, siehst du, dass sie eine Gemeinsamkeit haben. Alle haben auf ihrer Valenzschale nur ein Elektron.

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Schalenmodell Alkalimetalle: Li, Na, K

Um die Oktettregel erfüllen zu können und damit einen energetisch stabileren Zustand zu erreichen, müssen Alkalimetalle ihr einziges Valenzelektron abgeben. Da ihre Ionisierungsenergie sehr niedrig ist, geben sie ihr Valenzelektron gerne ab. Das bedeutet, dass sie sehr reaktiv sind.

Die Ionisierungsenergie ist nämlich die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron von einem ungeladenen Atom abzuspalten und somit ein Ion zu erzeugen. Je größer der Abstand eines Elektrons zum Atomkern, desto schwächer die Bindung.

Halogene

Halogene wie Fluor, Chlor und Brom stehen im Periodensystem links neben den Edelgasen (7. Hauptgruppe). Die Halogene haben die Gemeinsamkeit, dass sie im Schalenmodell sieben Valenzelektronen haben.

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Schalenmodell Halogene: F und Cl

Ihnen fehlt also nur ein Elektron, um die Oktettregel zu erreichen. Deshalb gehen sie besonders gerne chemische Verbindungen mit den Alkalimetallen ein. Von dem Elektronenaustausch profitieren dann beide Elemente und erfüllen die Oktettregel.

Edelgase

Edelgase sind gegenüber den vorherigen Beispielen sehr unreaktiv. Denn sie gehen mit anderen Elementen nur sehr selten chemische Verbindungen ein. Wenn du dir für die Edelgase Neon und Argon das Schalenmodell ansiehst, wird dir schnell auffallen, weshalb sie so unreaktiv sind.

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Schalenmodell Edelgase

Du erkennst, dass beide Elemente eine volle Valenzschale besitzen. Sie müssen also weder ein Elektron abgeben noch ein Elektron aufnehmen, um die Oktettregel zu erreichen. Das ist der Grund, weshalb die Edelgase kaum chemische Reaktionen eingehen.

Vergleich mit Bohrschem Atommodell

Das Schalenmodell baut auf dem Bohrschen Atommodell aus dem Jahr 1913 auf. Beide Modelle haben gemeinsam, dass sich die Elektronen nicht willkürlich um einen Atomkern bewegen, sondern auf Kreisbahnen oder in Schalen.

Während sich die Elektronen im Bohrschen Modell allerdings auf festen Kreisbahnen bewegen, kannst du für die Elektronen im Schalenmodell Aufenthaltswahrscheinlichkeiten bestimmen. Das bedeutet, dass sie keine festen Kreisbahnen haben müssen, sondern sich auch elliptisch um den Atomkern bewegen können.

Eine weitere Gemeinsamkeit ist, dass die Kreisbahnen und Schalen verschiedene Energieniveaus besitzen. Je größer der Abstand eines Elektrons in beispielsweise einer Schale, desto schwächer ist es an den Atomkern gebunden. Und je weiter weg sich die Schale vom Atomkern befindet, desto mehr Energie haben die Elektronen in der entsprechenden Schale.

Orbitalmodell

Du kennst dich jetzt wirklich gut mit dem Schalenmodell aus. Allerdings ist das Schalenmodell an einigen Stellen noch etwas ungenau. Deshalb gibt es das Orbitalmodell, das heute aktuellste Modell zur Beschreibung von Atomen. Schau dir unbedingt unser Video dazu an, um dein Wissen bezüglich der Atommodelle zu vertiefen!

Zum Video: Orbitalmodell
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