Bis 1911 waren Atome für die Menschen das letzte unteilbare Teilchen jeglicher Materie. Mit der Entdeckung der Elektronen durch Joseph Thompson, 1897, unterteilte Ernest Rutherford Atome in einen Atomkern und eine Atomhülle. Was ist heute über die Atomhülle bekannt?
Atomhülle Definition
Ernest Rutherford erweiterte das Verständnis der Menschen über die Atome mit seinem sogenannten Rutherford Atommodell. Heute ist bekannt, dass sie aus einem Atomkern und einer Atomhülle bestehen.
Die Atomhülle umgibt den Atomkern. Sie ist in sogenannte Schalen unterteilt. Die Schalen sind Aufenthaltsräume, in denen sich die Elektronen des Atoms befinden. Abhängig von der Periode, in der sich ein Atom befindet, besitzt es entsprechend viele Schalen. Es existieren sieben Perioden im Periodensystem der Elemente und dementsprechend auch sieben Schalen.
Wenn Du generell wissen willst, wie Atome aufgebaut sind, dann schaue Dir die Erklärungen zum Atomaufbau an.
In Abbildung 1 siehst Du das Periodensystem der Elemente, wie es heute aussieht. Die sieben Perioden wurden Dir links im Bild in Rot markiert. Zum Beispiel befinden sich der Wasserstoff – H – und das Helium – He – in der ersten Periode und haben somit nur eine Schale in ihrer Atomhülle.
Was befindet sich eigentlich in den Atomschalen?
Atomhülle Aufbau
Die Atomhülle ist, je nach Element 20.000 bis 150.000-mal größer als der Atomkern. Obwohl das der Fall ist, befindet sich 99 % der Masse im Atomkern. Woran liegt das?
Baustein der Atomhülle
Der Massenunterschied wird erkenntlich, wenn Du die Eigenschaften der Bausteine der Atomhülle – den Elektronen – betrachtest.
In der Atomhülle befinden sich die negativ geladenen Elementarteilchen – die Elektronen. Die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle gleicht der Anzahl der Protonen im Atomkern.
Die Ladung von Elektronen nennst Du negative Elementarladung \(e^{-}\). Diese wird in Coulomb angegeben und entspricht etwa\[e^-=-1,602\cdot10^{-19}\,C.\] Die negative Elementarladung ist der Grund dafür, dass die Atomhülle negativ geladen ist. Außerdem haben Elektronen eine Masse von etwa \[m_{E}=9,109\cdot10^{-31}\,kg.\]
Im Atomkern befinden sich die Protonen und Neutronen. Die Protonen haben im Grunde dieselbe Elementarladung wie die Elektronen nur ohne negativem Vorzeichen:
\[e^+=1,602\cdot10^{-19}\,C.\]
Atome eines Elements sind von Grund aus nach außen hin neutral geladen, weil sich die Ladung der Elektronen mit der Ladung der Protonen ausgleichen.
Weiterhin sind Protonen und Neutronen etwa 2000-mal so schwer wie ein Elektron. Dementsprechend hat die Masse der Elektronen kaum eine Auswirkung auf die Masse des gesamten Atoms.
Wie ist die Atomhülle nun eigentlich aufgebaut?
Schalenmodell der Atomhülle
Der Aufbau der Atomhülle kann mit mehreren Modellen veranschaulicht werden. Eines der ersten Modelle, das gelehrt wird, ist das Schalenmodell. Es basiert auf dem Bohrschen Atommodell und erweitert es.
In der Erklärung „Bohrsches Atommodell“ erfährst Du also mehr darüber.
Beachte, dass das Schalenmodell nur ein Modell ist. Bei einem Modell handelt es sich um eine Vereinfachung der Wirklichkeit. Die Natur eines Modells verhält sich ähnlich wie die einer Theorie. Sie soll entweder erweitert oder falsifiziert werden.
Bei dem Schalenmodell befindet sich der Atomkern im Mittelpunkt. Außen um das Atom herum bauen sich die Schalen der Atomhülle auf. Abbildung 2 zeigt Dir ein Beispiel dazu. Das gezeigte Atom gehört zum Element Kohlenstoff.
Der Atomkern in der Mitte wurde rot hinterlegt und mit einem Plus versehen, um die positive Ladung zu symbolisieren. Für die Schalen wurden Kreise um den Atomkern herum gezeichnet. Die Schalen werden mit der Periode immer größer. Die Elektronen wurden blau hinterlegt und mit einem Minus versehen, um die negative Ladung zu symbolisieren. Sie befinden sich innerhalb der Schalen.
Wie Du sehen kannst, hat der Kohlenstoff zwei Schalen. Von innen nach außen befinden sich auf der ersten Schale zwei Elektronen und auf der zweiten vier. Der Kohlenstoff besitzt also sechs Elektronen. Die Elektronenverteilung ist hier jedoch nicht willkürlich gewählt. Jede Schale hat ein eigenes Elektronenmaximum.
Auf jede Schale eines Atoms passt nur eine begrenzte Anzahl an Elektronen. Die Menge der Elektronen berechnest Du mit der Formel:
\[2\cdot n^2\]
n steht hierbei für die Periode im Periodensystem.
Die Elektronen auf der äußersten Schale nennst Du auch Valenzelektronen.
Die Schalen der Atomhülle haben weiterhin eigene Bezeichnungen. Du nennst etwa die Schale der ersten Periode K-Schale. Nach der oberen Formel kannst Du eine maximale Elektronenanzahl von 2 für sie berechnen. Dementsprechend weist Du auch nur zwei Elektronen, von den sechs Elektronen des Kohlenstoffs, dieser Schale zu. Nachdem eine Schale gefüllt wurde, machst Du mit der nächsten Schale weiter.
Der folgenden Tabelle kannst Du genau diese Informationen entnehmen. In der ersten Spalte findest Du die Periode im Periodensystem. Die zweite Spalte enthält die Bezeichnungen der Schale und die dritte enthält die jeweilige maximale Elektronenanzahl.
| Periode | Bezeichnung | Elektronenanzahl |
| 1 | K | 2 |
| 2 | L | 8 |
| 3 | M | 18 |
| 4 | N | 32 |
| 5 | O | 50 |
| 6 | P | 72 |
| 7 | Q | 98 |
Tabelle 1: Periode, Bezeichnung und Elektronenmaximum der Schalen der Atomhülle.
Die Schalen O bis Q sind hierbei niemals komplett gefüllt. Dafür haben die vorhandenen Elemente einfach zu wenig Elektronen.
Dadurch, dass das Schalenmodell relativ simpel gestaltet ist, können bestimmte Eigenschaften von Elementen, im Vergleich zu detaillierteren Modellen, besser veranschaulicht werden. Eine Eigenschaft ist etwa die Edelgasregel.
Schalenmodell der Atomhülle Edelgasregel
Atome nehmen bei Reaktionen Elektronen auf oder sie geben welche ab und werden somit zu Ionen. Das machen sie aber nicht zufällig. Jedes Ion strebt nämlich danach, stabil zu sein. Hierbei ist die stabilste Konfiguration der Atomhülle die der Edelgase. Die Edelgase befinden sich in der achten Hauptgruppe des Periodensystems. Du nennst solch eine Konfiguration somit auch Edelgaskonfiguration.
Die letzte Schale eines Ions wird bevorzugt mit acht Elektronen besetzt. Dadurch erreicht ein Ion die stabile Edelgaskonfiguration. Die Ausnahme hierbei ist die K-Schale, denn sie hat nur Platz für zwei Elektronen. Dies entspricht der Edelgaskonfiguration von Helium.
Die Atome eines Elements, die etwa ein Elektron auf der äußersten Schale haben, geben dieses eher ab, damit die letzte Schale keine Elektronen mehr besitzt. Atome, die bereits sieben Elektronen auf der äußersten Schale haben, würden demnach lieber ein Elektron aufnehmen, um somit auf acht Elektronen zu kommen.
Die Aufnahme und Abgabe der Elektronen erfolgt in der Regel über chemische Reaktionen mit anderen Atomen, die ebenfalls eine Edelgaskonfiguration anstreben.
Aufgabe
In Abbildung 3 siehst Du das Schalenmodell eines Berylliumatoms. Bestimme, ob das Atom eher Elektronen aufnehmen oder abgeben würde. Fertige dazu eine Zeichnung an.
Lediglich die letzte Schale, in der sich noch Elektronen befinden, soll mit acht Elektronen gefüllt sein.
Lösung
Das Berylliumatom besitzt auf der äußersten Schale nur zwei Valenzelektronen. Somit ist es leichter, zwei Elektronen abzugeben, als sechs weitere Elektronen aufzunehmen. Abbildung 4 zeigt Dir, wie das Berylliumion mit dem Schalenmodell folglich aussehen würde.
Nachdem es zwei Elektronen abgegeben hat, besitzt die äußerste Schale des Berylliumions, in der sich Elektronen befinden, zwei Elektronen. Es hat somit eine Edelgaskonfiguration von Helium erreicht.
Atome können auch in Molekülen eine Edelgaskonfiguration erhalten. Dabei teilen sich die verschiedenen Atome ihre Elektronen. In Abbildung 5 siehst Du, wie sich die Schalen von Atomen in Molekülen überschneiden. Gezeigt wird das Wassermolekül, das aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht.
Die Wasserstoffatome haben jeweils ein Valenzelektron. Sie teilen sich ein weiteres Elektron mit dem Sauerstoff, um die Edelgaskonfiguration von Helium zu erreichen.
Der Sauerstoff hingegen hat sechs Valenzelektronen. Mit den beiden Elektronen von den Wasserstoffatomen erreicht es die Edelgaskonfiguration von Neon.
Der Winkel in der Darstellung des Wassermoleküls hat ebenfalls einen bestimmten Grund. Dieser kann jedoch nicht mit dem Schalenmodell erklärt werden.
Schalenmodell der Atomhülle Schwächen
Moleküle sehen nicht alle gleich aus. Während sich einige Verbindungen planar, also zweidimensional im Raum befinden, bauen andere dreidimensionale Konstrukte. Woran das liegt, kann mit dem Schalenmodell nicht erklärt werden. Dafür werden andere Modelle benötigt – wie das Kugelwolkenmodell.
Wenn Du also mehr darüber erfahren möchtest, dann schaue Dir die Erklärung zum Kugelwolkenmodell an.
Die Menschen haben bislang noch keine Möglichkeit, um genau zu erkennen, wie ein Atom aussieht. Folglich müssen Modelle erstellt werden, die das heutige Wissen vereinfacht darstellen. Das heute modernste Atommodell nennst Du Orbitalmodell. Es ist detaillierter als das Schalen- und Kugelwolkenmodell. Wenn Du also mehr darüber erfahren möchtest, dann schau in der Erklärung zur Orbitalstruktur vorbei.
Atomhülle – Das Wichtigste
- Die Atomhülle umgibt den Atomkern.
- Sie kann in bis zu 7 Schalen unterteilt werden.
- Mit zunehmender Periode nimmt die Größe der Schalen zu.
- Die Schalen haben unterschiedliche Bezeichnungen:
- K-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schale, O-Schale, P-Schale, Q-Schale
- Die Schalen der Atomhülle können nur eine begrenzte Menge an Elektronen aufnehmen.
- Die Atomhülle ist negativ geladen.
- In der Atomhülle befinden sich die Elektronen.
- Elektronen auf der äußersten Schale sind Valenzelektronen.
- Elektronen haben eine negative Elementarladung von \(e^-=-1,602\cdot10^{-19}\,C.\)
- Die Atomhülle ist 20.000 bis 150.000-mal größer als der Atomkern.
- Die Größe ist abhängig vom jeweiligen Element.
- Die Masse der Atomhülle spielt für die Gesamtmasse des Atoms kaum meine Rolle.
- 99 % der Gesamtmasse werden vom Atomkern ausgemacht.
- Zur Veranschaulichung der Atomhülle werden Modelle verwendet, wie:
- Das Schalenmodell
- Mit dem Schalenmodell können etwa das Reaktionsverhalten von Atomen vorhergesagt werden.
- Das Kugelwolkenmodell
- Das Kugelwolkenmodell eignet sich zur räumlichen Veranschaulichung von Molekülen.
- Das Orbitalmodell
- Das Orbitalmodell beschreibt das heutige Verständnis der Menschen von Atomen.
Nachweise
- Viamedici.thieme.de: Atome Aufbau und Eigenschaften (12.09.2022)
- Spektrum.de: Atomhülle (12.09.2022)
- Chemie.de: Elektronenhülle (12.09.2022)
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