Schalenmodell und Ionisierungsenergie

Einstieg: Elektronen sind nicht alle gleich fest gebunden

Ein Natriumatom hat 11 Elektronen. Man kann sie nacheinander abtrennen, wenn man genug Energie zuführt. Würde jedes Elektron gleich viel Energie kosten, wäre die Hülle ein gleichmäßiger Elektronennebel. Die Messwerte zeigen aber etwas anderes: Das erste Elektron lässt sich leicht abtrennen, die nächsten acht deutlich schwerer, die letzten zwei extrem schwer. Was verrät das über den Bau der Atomhülle?

Erklärung: Ionisierungsenergie

Die Energie, die man braucht, um ein Elektron vollständig von einem Atom abzutrennen, heißt Ionisierungsenergie. Danach ist das Teilchen positiv geladen, ein Ion. Trennt man weitere Elektronen ab, spricht man von der zweiten, dritten usw. Ionisierungsenergie.

Messwerte für Natrium (gerundet, in Kilojoule pro Mol):

abgetrenntes Elektron	1.	2.	3.	4.	5.	6.	7.	8.	9.	10.	11.
Ionisierungsenergie	496	4562	6910	9543	13 354	16 613	20 117	25 496	28 932	141 362	159 076

Die Werte steigen nicht gleichmäßig. Es gibt zwei große Sprünge: zwischen dem 1. und 2. Elektron (fast zehnmal so viel) und zwischen dem 9. und 10. Elektron (fast fünfmal so viel). Die Elektronen bilden also drei Gruppen: 1 Elektron, dann 8 Elektronen, dann 2 Elektronen.

Deutung: das Energiestufen- oder Schalenmodell

Die Elektronen in der Hülle besitzen unterschiedlich viel Energie. Sie halten sich auf verschiedenen Energiestufen auf. Man stellt sich das bildlich als Schalen um den Kern vor:

• Elektronen nahe am Kern (innere Schale) sind energiearm und werden stark vom Kern angezogen. Sie lassen sich nur schwer abtrennen.
• Elektronen weit außen sind energiereicher und schwächer gebunden. Sie lassen sich leichter abtrennen.

Die Schalen bezeichnet man von innen nach außen mit K, L, M, N. Für die ersten 20 Elemente gilt:

Schale	K (1.)	L (2.)	M (3.)	N (4.)
höchstens Elektronen	2	8	8 (bis Calcium)	2 (bis Calcium)

Die Schalen werden von innen nach außen besetzt. Bei Natrium (11 Elektronen): K-Schale 2, L-Schale 8, M-Schale 1. Das passt genau zu den Sprüngen in der Tabelle: Das einzelne äußere Elektron geht zuerst und leicht. Dann folgen die 8 Elektronen der L-Schale. Die 2 Elektronen der K-Schale sitzen dem Kern am nächsten und brauchen am meisten Energie.

Die Elektronen der äußersten Schale heißen Valenzelektronen (Außenelektronen). Sie bestimmen, wie ein Atom chemisch reagiert.

Grenzen des Modells

Elektronen kreisen nicht wie Planeten auf festen Bahnen um den Kern. Das Schalenmodell sagt nur, auf welcher Energiestufe ein Elektron sich befindet und wie weit es sich im Mittel vom Kern aufhält. Ab Kalium und Calcium wird die Besetzung der Schalen komplizierter. Für die Hauptgruppenelemente in der Sek I reicht das Modell aus.

Beispiele

Beispiel 1: Elektronenverteilung von Chlor

Chlor hat die Ordnungszahl 17, also 17 Elektronen. K-Schale: 2. L-Schale: 8. Für die M-Schale bleiben $17 - 2 - 8 = 7$. Elektronenverteilung: 2, 8, 7. Chlor hat 7 Valenzelektronen.

Beispiel 2: Sprünge vorhersagen

Magnesium (Ordnungszahl 12) hat die Verteilung 2, 8, 2. Erwartung: Die ersten 2 Elektronen lassen sich vergleichsweise leicht abtrennen. Zwischen dem 2. und 3. Elektron gibt es einen großen Sprung, ebenso zwischen dem 10. und 11. Die Messwerte bestätigen das: 738, 1451, dann 7733 kJ pro Mol für das dritte Elektron.

Merksatz

Die Ionisierungsenergien zeigen, dass sich Elektronen eines Atoms in ihrer Energie unterscheiden. Im Schalenmodell besetzen die Elektronen Energiestufen von innen nach außen: K-Schale bis 2, L-Schale bis 8, M-Schale bis 8 Elektronen (für die ersten 20 Elemente). Die Elektronen der äußersten Schale heißen Valenzelektronen und bestimmen das chemische Verhalten.

Übungen

Grundlagen

1. Gib die Elektronenverteilung an für: Kohlenstoff (6), Stickstoff (7), Neon (10), Aluminium (13), Argon (18), Kalium (19).
2. Wie viele Valenzelektronen haben Sauerstoff (8), Fluor (9) und Calcium (20)?
3. Erkläre den Begriff Ionisierungsenergie.

Weiter

4. Zeichne das Schalenmodell eines Schwefelatoms (Ordnungszahl 16, Massenzahl 32).
5. Erkläre mithilfe der Tabelle, warum Natrium bei Reaktionen leicht genau ein Elektron abgibt, aber kein zweites.
6. Für ein unbekanntes Element der dritten Periode gelten die ersten Ionisierungsenergien 578, 1817, 2745, 11 577 kJ pro Mol. Wie viele Valenzelektronen hat es? Um welches Element handelt es sich?

Knobeln

7. Warum ist die 11. Ionisierungsenergie von Natrium größer als die 10., obwohl beide Elektronen aus der K-Schale stammen?
8. Beurteile die Aussage: „Die Elektronen kreisen auf den Schalen wie Planeten um die Sonne.“

Lösungen

1. Kohlenstoff 2, 4. Stickstoff 2, 5. Neon 2, 8. Aluminium 2, 8, 3. Argon 2, 8, 8. Kalium 2, 8, 8, 1.
2. Sauerstoff (2, 6): 6. Fluor (2, 7): 7. Calcium (2, 8, 8, 2): 2.
3. Die Energie, die man braucht, um ein Elektron vollständig von einem Atom (oder Ion) abzutrennen.
4. Kern mit 16 Protonen und 16 Neutronen, K-Schale 2, L-Schale 8, M-Schale 6 Elektronen.
5. Das erste Elektron sitzt allein auf der äußeren M-Schale und braucht nur 496 kJ pro Mol. Das zweite stammt aus der vollen L-Schale und braucht fast zehnmal so viel Energie. Diese Energie wird bei normalen Reaktionen nicht aufgebracht.
6. Der große Sprung liegt zwischen dem 3. und 4. Elektron. Das Element hat 3 Valenzelektronen. In der dritten Periode ist das Aluminium.
7. Nach dem Abtrennen des 10. Elektrons ist nur noch ein Elektron übrig. Es wird von denselben 11 Protonen angezogen, aber von keinem anderen Elektron mehr abgestoßen. Außerdem muss es aus einem Ion mit der Ladung 10+ entfernt werden, das es sehr stark anzieht.
8. Die Aussage geht über das Modell hinaus. Das Schalenmodell beschreibt Energiestufen und mittlere Abstände, keine festen Bahnen. Wie sich ein Elektron genau bewegt, kann man nicht angeben. Das Planetenbild ist eine Veranschaulichung mit Grenzen.