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Gymnasium 8 · Chemie
Die Materie · Die Elektronenstruktur

Die Elektronenkonfiguration

Eine Leuchtreklame mit Neon bleibt jahrelang unverändert, ein Stück Natrium dagegen zischt im Wasser und fängt Feuer. Natrium folgt im Periodensystem direkt auf Neon. Warum verhalten sie sich so verschieden? Die Antwort steckt in den Elektronen der äußersten Schale.

Das Schalenmodell: Wie viele Elektronen passen wohin?

Im Kern-Hülle-Modell umgeben die Elektronen den Atomkern. Das Bohr'sche Schalenmodell ordnet sie in Schalen (Energiestufen) an, die von innen nach außen mit K, L, M, N benannt werden. Je weiter außen eine Schale liegt, desto mehr Energie haben ihre Elektronen.

Die Abbildung zeigt ein Natriumatom ($Z = 11$). Es hat $11$ Elektronen: $2$ in der K-Schale, $8$ in der L-Schale und $1$ in der M-Schale.

Schalenmodell des Natriumatoms: 2 Elektronen in der K-Schale, 8 in der L-Schale und 1 in der M-Schale Schalen von innen: K, L, M K-Schale: 2 Elektronen L-Schale: 8 Elektronen M-Schale: 1 Elektron Schalenbesetzung: 2 | 8 | 1

Die Schalenbesetzung aufstellen

Die Elektronenkonfiguration (Schalenbesetzung) gibt an, wie viele Elektronen sich in welcher Schale befinden. Im neutralen Atom ist die Zahl der Elektronen gleich der Ordnungszahl $Z$.

Stelle die Elektronenzahl so ein, dass sie der Protonenzahl entspricht. Dann ist das Atom neutral. Diese $17$ Elektronen gehören auf die Schalen.

Die Schalenbesetzung der ersten $20$ Elemente:

Element $Z$ Besetzung Element $Z$ Besetzung
Wasserstoff H 1 1 Natrium Na 11 2 \
Helium He 2 2 Magnesium Mg 12 2 \
Lithium Li 3 2 \ 1 Aluminium Al 13
Beryllium Be 4 2 \ 2 Silicium Si 14
Bor B 5 2 \ 3 Phosphor P 15
Kohlenstoff C 6 2 \ 4 Schwefel S 16
Stickstoff N 7 2 \ 5 Chlor Cl 17
Sauerstoff O 8 2 \ 6 Argon Ar 18
Fluor F 9 2 \ 7 Kalium K 19
Neon Ne 10 2 \ 8 Calcium Ca 20
Üben★☆☆Nicht begonnen
Kohlenstoff ($Z = 6$) steckt in der Mine von Bleistiften, im Diamanten und in allen Molekülen der Lebewesen. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf. b) Gib an,…

Kohlenstoff ($Z = 6$) steckt in der Mine von Bleistiften, im Diamanten und in allen Molekülen der Lebewesen.

  1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
  2. b) Gib an, wie viele Valenzelektronen (die Elektronen der äußersten Schale) er hat.
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Üben★☆☆Nicht begonnen
Die Leuchtreklamen vieler Kneipen und Kinos funktionieren mit Neon ($Z = 10$). a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf. b) Überprüfe, dass seine äußerste Schale…

Die Leuchtreklamen vieler Kneipen und Kinos funktionieren mit Neon ($Z = 10$).

  1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
  2. b) Überprüfe, dass seine äußerste Schale voll besetzt ist, und erkläre, warum Neon ein so reaktionsträges Gas ist.
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Valenzelektronen, Hauptgruppe und Periode

Die Elektronen der Außenschale heißen Valenzelektronen. Sie entscheiden, wie ein Element reagiert, denn sie sind dem Nachbaratom am nächsten.

Natrium ($2\,|\,8\,|\,1$) steht in der 1. Hauptgruppe und in der 3. Periode. Es hat ein Valenzelektron und drei besetzte Schalen. Chlor ($2\,|\,8\,|\,7$) steht in der 7. Hauptgruppe, hat also $7$ Valenzelektronen. Ihm fehlt ein Elektron zur vollen Achterschale.

Üben★★☆Nicht begonnen
Chlor ($Z = 17$) wird verwendet, um das Wasser in Schwimmbädern zu desinfizieren. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf. b) Gib an, wie viele Valenzelektronen es…

Chlor ($Z = 17$) wird verwendet, um das Wasser in Schwimmbädern zu desinfizieren.

  1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
  2. b) Gib an, wie viele Valenzelektronen es hat und wie viele ihm fehlen, um seine äußerste Schale zu füllen.
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Üben★★☆Nicht begonnen
Zwischen den beiden Scheiben vieler Doppelglasfenster ist Argon ($Z = 18$) eingeschlossen, ein Gas, das praktisch mit nichts reagiert. a) Schreibe seine…

Zwischen den beiden Scheiben vieler Doppelglasfenster ist Argon ($Z = 18$) eingeschlossen, ein Gas, das praktisch mit nichts reagiert.

  1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
  2. b) Erkläre anhand seiner äußersten Schale, warum Argon so reaktionsträge ist.
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Üben★★☆Nicht begonnen
Calcium ($Z = 20$) ist das Mineral der Knochen und der Korallenriffe. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf. b) Wie viele Valenzelektronen hat es?

Calcium ($Z = 20$) ist das Mineral der Knochen und der Korallenriffe.

  1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
  2. b) Wie viele Valenzelektronen hat es?
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Unterniveaus und Orbitale (Ausblick)

Das Schalenmodell hat Grenzen. Genauere Modelle beschreiben die Elektronen durch Orbitale. Ein Orbital ist kein Weg wie die Bahn eines Planeten, sondern ein Raumbereich, in dem man das Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit findet. Ein Orbital nimmt höchstens $2$ Elektronen auf.

Jede Schale ist in Unterniveaus $s$, $p$, $d$ unterteilt: ein $s$-Unterniveau hat $1$ Orbital, ein $p$-Unterniveau hat $3$ Orbitale. Die Schale $n=1$ hat nur $s$, die Schale $n=2$ hat $s$ und $p$, die Schale $n=3$ hat $s$, $p$ und $d$.

Ein s-Unterniveau hat ein Orbital mit höchstens 2 Elektronen, ein p-Unterniveau hat drei Orbitale mit höchstens 6 Elektronen s-Unterniveau p-Unterniveau ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 1 Orbital: höchstens 2 e⁻ 3 Orbitale: höchstens 6 e⁻ Jedes Kästchen = ein Orbital mit höchstens 2 Elektronen
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Im bohrschen Modell bewegten sich die Elektronen auf exakten Bahnen um den Kern, wie die Planeten um die Sonne. Heute spricht das Quantenmodell von Orbitalen. Die…

Im bohrschen Modell bewegten sich die Elektronen auf exakten Bahnen um den Kern, wie die Planeten um die Sonne. Heute spricht das Quantenmodell von Orbitalen. Die Abbildung vergleicht die beiden Modelle.

bohrsches Modell exakte Bahn Quantenmodell wahrscheinlichster Bereich

Erkläre mit eigenen Worten, was ein Orbital ist und wodurch es sich von einer Bahn im bohrschen Modell unterscheidet.

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Üben★☆☆Nicht begonnen
Jedes Orbital kann höchstens $2$ Elektronen aufnehmen. Ein $s$-Unterniveau hat nur ein einziges Orbital und ein $p$-Unterniveau hat $3$ Orbitale, wie die Abbildung…

Jedes Orbital kann höchstens $2$ Elektronen aufnehmen. Ein $s$-Unterniveau hat nur ein einziges Orbital und ein $p$-Unterniveau hat $3$ Orbitale, wie die Abbildung zeigt.

s-Unterniveau 1 Orbital ? Elektronen p-Unterniveau 3 Orbitale ? Elektronen

Berechne, wie viele Elektronen höchstens in ein $s$-Unterniveau und wie viele in ein $p$-Unterniveau passen.

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Ionen und ihre Elektronenkonfiguration (Ausblick)

Ein Ion ist ein Atom mit Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel. Ein Kation ($+$) hat Elektronen abgegeben, ein Anion ($-$) hat Elektronen aufgenommen. Die Protonenzahl ändert sich dabei nicht. Die Ladung ist Protonenzahl minus Elektronenzahl.

Verringere die Elektronenzahl von $11$ auf $10$: Es entsteht das $\mathrm{Na^{+}}$-Ion. Es hat die Schalenbesetzung $2\,|\,8$, also genau die des Edelgases Neon.

Üben★★☆Nicht begonnen
Die physiologische Kochsalzlösung, die in Krankenhäusern verabreicht wird, enthält $\text{Na}^+$-Ionen. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration des Natriumatoms (…

Die physiologische Kochsalzlösung, die in Krankenhäusern verabreicht wird, enthält $\text{Na}^+$-Ionen.

  1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration des Natriumatoms ($Z = 11$) und die des Ions $\text{Na}^+$ auf.
  2. b) Mit welchem Edelgas stimmt die Konfiguration des Ions überein?
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Im Kochsalz liegt Chlor ($Z = 17$) als Chlorid-Ion $\text{Cl}^-$ vor. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration des Ions $\text{Cl}^-$ auf. b) Überprüfe, dass sie mit der…

Im Kochsalz liegt Chlor ($Z = 17$) als Chlorid-Ion $\text{Cl}^-$ vor.

  1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration des Ions $\text{Cl}^-$ auf.
  2. b) Überprüfe, dass sie mit der Konfiguration eines Edelgases übereinstimmt, und gib an, um welches es sich handelt.
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Zurück zum Anfang: Neon ($2\,|\,8$) hat eine volle Außenschale mit $8$ Elektronen und braucht keinen Reaktionspartner. Natrium ($2\,|\,8\,|\,1$) hat nur ein Valenzelektron. Es gibt dieses leicht ab und erreicht damit die stabile Konfiguration von Neon. Deshalb reagiert Natrium so heftig mit Wasser.

Auf einen Blick

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