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Elektronenhülle

 

1.     Einleitung

2.     Linienspektrum

3.     Auffüllen der Schalen

4.     Kontrollfragen

 

1. Einleitung

Rutherfords Streuversuch legte nahe, dass die Hauptmasse des Atoms im Kern konzentriert liegt und die negativ geladenen Elektronen sich locker in der Atomhülle verteilen. Aber wie genau sind sie dort verteilt? Schwirren sie wahllos um den Kern oder auf festen Bahnen, wie Planeten um einen Stern?

2. Linienspektrum

Zunächst war unter den Wissenschaftlern die Auffassung verbreitet, dass das Atom aus einem „mikroskopischen Sonnensystem“ bestünde, in dem die Elektronen den Atomkern umkreisten. Der dänische Physiker Niels Bohr legte eine Überlegung vor, die er mit dem Linienspektrum eines Wasserstoffatoms begründete: Wird ein Atom angeregt, gibt es diese Energie später in Form von Strahlung (Licht) ab. Genauer betrachtet, wird bei der Abgabe dieser Strahlung ein Photon emittiert, dessen Energie genau der Differenz der Energieniveaus zweier Elektronenschalen entspricht. Sichtbares Licht kann mittels eines Prismas in seine Einzelbestandteile aufgeteilt werden, sein sogenanntes kontinuierliches Spektrum (z. Bsp.: Regenbogen). Im Falle des Wasserstoffatoms handelt es sich dabei aber um ein Linienspektrum, welches als solches nur Strahlung weniger bestimmter Wellenlängen enthält. Diese Wellenlängen entsprechen den Wellenlängen der jeweils emittierten Photonen.

Um dieses Linienspektrum zu erklären, stellte Bohr die Hypothese auf, dass sich Elektronen in Umlaufbahnen, sogenannten Energieniveaus (oder Elektronenschalen) um den Kern bewegen sollten.

Die physikalische Gesetzmäßigkeit, dass bewegte Objekte Energie abgeben und somit die negativ geladenen Elektronen irgendwann aufgrund der Anziehung des positiv geladenen Kerns in diesen stürzen müssten, versuchte er damit zu erklären, dass in solch kleinen Systemen die klassische Physik nicht mehr gelte. Er stützte sein Modell auf 3 Postulate:

  • Elektronen können sich im Wasserstoffatom nur auf Umlaufbahnen mit bestimmten Radien bewegen, die bestimmten festgelegten Energien entsprechen.

  • Ein Elektron auf einer Umlaufbahn hat eine bestimmte Energie und befindet sich in einem „erlaubten“ Zustand. So ein Elektron strahlt keine Energie ab und fällt daher nicht spiralförmig in den Kern.

  • Energie wird von einem Elektron nur emittiert und absorbiert, wenn dieses von einem erlaubten in einen anderen erlaubten Zustand wechselt. Man spricht von gequantelter Energie, die als Photon (Lichtteilchen) abgegeben wird.

Wenn ein angeregtes Elektron von einer höheren Schale wieder auf eine tiefere fällt, emittiert es eben jenes Photon, das im Linienspektrums-Versuch als Licht bestimmter Wellenlänge zu beobachten war. Von der Wellenlänge können wir auf die Energiedifferenz zwischen den beiden Energieniveaus schließen, zwischen denen sich das Elektron bewegt hat. Aus einer Reihe solcher Versuche folgerte Bohr, dass die Energieniveaus mit ansteigender Entfernung vom Kern höher werden. Er stellte auch fest, dass die Energieniveaus unterschiedliche Kapazitäten haben. Während die erste Schale nur maximal 2 Elektronen trägt, kann die fünfte Schale bereits 50 Elektronen beherbergen.

Nach außen hin ist ein Atom elektrisch neutral, das heißt es gibt genauso viele positiv geladene Protonen im Atomkern wie negativ geladene Elektronen in der Atomhülle. Die Elektronenzustände unterscheiden sich vor allem in ihrer Energie und werden Schalen genannt. Die Schalen werden von der innersten Schale (dies ist die Schale, die dem Kern am nächsten ist) nach außen durchnummeriert und mit der sog. Hauptquantenzahl n (n =1,2,3,4,...) oder großen Buchstaben gekennzeichnet (K, L, M, N,...).

Dabei gilt, dass in jeder Schale max. 2n2 Elektronen Platz finden, wie in der nachfolgenden Tabelle beschrieben ist.

Hauptquantenzahl n
Bezeichnung der Schale
max. Elektronenzahl
1 K 2
2 L 8
3 M 18
4 N 32
5 O 50

3. Auffüllen der Schalen

Zu bedenken ist, dass die Regel der Schalenbesetzung mit Elektronen 2n2 lediglich die MAXIMALE Elektronenzahl, die eine Schale fassen kann definiert, aber keine Information darüber gibt, in welcher Reihenfolge die Schalen besetzt werden! Zur vollständigen Beschreibung der Elektronenzustände und damit der Schalenbesetzung, werden noch andere Quantenzahlen benötigt (Nebenquantenzahl, Spinquantenzahl und magnetische Quantenzahl). Eine genaue Erläuterung der Elektronenbesetzung gibt das Kapitel "Schalen".

Die Zeilen des Periodensystems (PSE) kategorisieren Elemente nach ihrer Hauptquantenzahl bzw. ihrer Schale und werden Perioden genannt. Die Zeilen werden somit im PSE von oben nach unten mit aufsteigender Hauptquantenzahl nummeriert.

Heute weiß man, dass das Bohrsche Atommodell tatsächlich nur eine idealisierte Vorstellung ist. Wegen seiner guten Anschaulichkeit wird es aber trotzdem gerne verwendet.

Tatsächlich herrscht in solch kleinen Systemen, wie es das Atom selbst ist, die Welt der Quantenmechanik, die sich komplett anders verhält, als die klassische Physik. In diesem abstrakten System können Elektronen nur mittels komplizierter, mathematischer Funktionen über Aufenthaltswahrscheinlichkeiten (Schrödingergleichung) lokalisiert werden. Diese Funktionen werden Orbitale genannt, die als Aufenthaltsräume der Elektronen verstanden werden.

Elektronen spielen eine überaus wichtige Rolle in der Beschreibung von chemischen sowie physikalischen Eigenschaften von Atomen (magnetische, elektrische, …) und sind durch Wechselwirkung mit anderen Elektronen für chemische Bindungen zuständig.

Kontrollfragen:


1

Welche Aussagen zum Thema Elektronenhülle sind zutreffend ?

  1. Elektronen mit niedrigen Energien befinden sich näher am Atomkern, als die mit hoher Energie.
  2. Elektronen können in beliebige energetische Zustände angeregt werden.
  3. Die Elektronenhülle wird mittels Schalen dargestellt, die von außen nach innen mit Elektronen aufgefüllt werden.
  4. Man spricht von einem Atom, wenn die Anzahl der Protonen der der Elektronen entspricht.
  5. Durch Emission eines Photons, fällt das angeregte Elektron in einen beliebigen Zustand zurück.
    6.

Schalen mit niedriger Energie, welche sich nahe am Atomkern befinden, werden zuerst besetzt. Die Besetzung der Schalen geschieht also von innen nach außen. Bei der Absorption wird das Elektron in einen bestimmten Zustand angeregt. Bei der Emission fällt das Elektron von einen höheren Energieniveau auf ein bestimmtes niedrigeres Energieniveau herab. Dabei wird Energie in Form von Photonen abgegeben.

2

Ein Sauerstoffion ist zweifach negativ geladen und enthält 8 Protonen in seinem Kern. Welche Aussagen auf Grundlage dieser Information sind zutreffend?

  1. Das Ion enthält 8 Elektronen, davon 6 in seiner L-Schale.
  2. Das Ion enthält 10 Elektronen, davon 8 in seiner L-Schale.
  3. Das Ion enthält 10 Elektronen und unter anderem eine volle K-Schale.
  4. Das Ion enthält 8 Elektronen und unter anderem eine volle K-Schale.
  5. Das Ion enthält 10 Elektronen und eine volle L-Schale.
    6.

Da es zweifach negativ geladen ist, hat es 2 Elektronen mehr als Protonen (also 10 Elektronen). Da die Schalen von innen nach außen besetzt werden, ist die K-Schale (n=1) mit maximal 2 Elektronen vollständig besetzt. Die übrigen acht Elektronen sind in der L-Schale (n=2), welche maximal 8 Elektronen aufnhemen kann

3

Ein Wasserstoffproton ist:

  1. Ein Ion und enthält 1 Elektron in seiner K-Schale.
  2. Ein Kation und hat eine leere K-Schale.
  3. Ein Ion und enthält keine Elektronen.
  4. Ein Atom und hat keine Elektronen in seiner Atomhülle.
  5. Ein Anion und enthält ein Elektron in seiner L-Schale.
    6.

Wenn der Wasserstoff sein einziges Elektron  abgibt, ist es ein einfach geladenes Kation.Dieses Ion, oder auch Wasserstoffproton besitzt keine Elektronen mehr und  damit ist die K-Schale unbesetzt.

4

Welche der folgenden Aussagen können auf das Prinzip der Quantelung zurückgeführt werden?

  1. Jeder Elektronenübergang erhält eine bestimmte, charakteristische Energie.
  2. Elektronenübergänge können spontan einsetzen und beliebige Energiewerte annehmen.
  3. Bei Elektronenübergängen können Photonen emittiert bzw. absorbiert werden.
  4. Die durch den Übergang eines Elektrons abgegebene Energie kann einer bestimmten Schale des Atoms zugewiesen werden.
  5. Die Elektronenschalen eines Atoms sind bezüglich ihrer Energie gleichwertig.
    6.

Das zweite und das dritte Postulat besagt, dass ein Elektron auf einer Umlaufbahn eine bestimmte Energie hat. Energie wird von einem Elektron nur emittiert und absorbiert, wenn dieses von einem erlaubten in einen anderen erlaubten Zustand wechselt. Man spricht von gequantelter Energie, die als Photon (Lichtteilchen) abgegeben wird.

5

Inwiefern unterscheiden sich ein Atom der Ordnungszahl 20 und dessen zweiwertiges Kation? (Tipp: OZ(Ar)=18)

  1. Sie haben unterschiedliche Kernladungszahlen.
  2. Sie haben unterschiedliche Elektronenzahlen.
  3. Sie haben unterschiedliche äußerste Elektronenschalen.
  4. Ihre äußersten Schalen haben unterschiedliche Hauptquantenzahlen.
  5. Ihre äußersten Schalen sind energetisch gleichwertig.
    6.

Ein Atom mit der Ordnungszahl 20 entspricht einem Kalzium Atom. Das zweiwertige Kation (Ca2+) hat zwei Elektronen weniger und nimmt somit die gleiche Edelgaskonfiguration wie Argon ein. Die Schalen entsprechen den Perioden. Da Argon (auch Ca2+) in der 3. Periode ist, und Ca in der 4. Periode steht, haben diese beiden Konfigurationen auch unterschiedliche Außenschalen (M- bzw. N-Schale) und somit unterscheiden sie sich auch in ihrer Hauptquantenzahl (3 bzw. 4).

6

Was kann man über Hauptgruppenelemente gleicher Perioden, aber unterschiedlicher Elektronenzahlen hinsichtlich ihrer Elektronenhülle aussagen?

  1. Sie haben unterschiedliche Elektronenanzahlen in ihrer äußersten Schale.
  2. Ihre äußersten Elektronen befinden sich immer in der gleichen Schale.
  3. Sie haben unterschiedliche Kernladungszahlen.
  4. Sie unterscheiden sich in ihrer Hauptquantenzahl.
  5. Die Anzahl ihrer Protonen im Atomkern ist unterschiedlich.
    6.

Diese Frage ist eine Fangfrage die sich ausdrücklich nur auf die Elektronenhülle bezieht (und nicht auf den Kern mit den Protonen). Zwar ist es richtig, dass Elemente eine andere Kernladungszahl und damit auch Protonenzahl besitzen, allerdings ist hier ausdrücklich nicht nach dem Kern gefragt. In der Hülle befinden sich ausschließlich die Elektronen. Die Elektronenzahl der Atome einer Periode ist unterschiedlich, allerdings sind die Elemente in der selben Periode weswegen sie die gleiche Hauptquantenzahl haben und  somit in der gleichen Schale sind. Wichtig ist bei Nebengruppenelementen, dass es hier bei einigen Elementen (mit entsprechend großer Anzahl an Elektronen) zu einer anderen Besetzung der Elektronen kommt, durch die die Außenelektronen in unterschiedliche Schalen gelangen können. Es wird zum Beispiel nach dem 4s-Orbital das 3d-Orbital besetzt, bevor das 4p-Orbital besetzt wird etc.

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