Im vorherigen Kapitel ist der Aufbau des Atomkerns erläutert. Da die chemische Reaktivität aber von den sog. Valenzelektronen beeinflusst wird, ist es sinnvoll sich mit der Verteilung von Elektronen in der Atomhülle befassen.
Grundlage:
Seit dem Atommodell von Bohr bzw. der Entdeckung der Linienspektren eines Atoms ist bekannt, dass den Elektronen in der Atomhülle nur ganz bestimmte Energiestufen “Schalen” zur Verfügung. Die Anzahl der Schalen kann man aus dem Periodensystem ablesen, die Atome der Elemente der 1. Periode besitzen 1 Schale, die Atome der Elemente der 2. Periode besitzen 2 Schalen.
Bohrsche Atommodell:
Aus dem Bohrschen Atommodell folgt, dass jeder Energiezustand (Schale) maximal 2n2 Elektronen aufnehmen kann, d.h. die erste Schale fast max. 2 Elektronen, die zweite Schale max. 8 Elektronen.
Aufbau der Atomhülle:
Im Atom (nicht angeregter Zustand) sind die Elektronen immer möglichst energiearm angeordnet, d.h. zuerst wird immer die energieärmere, niedrigere Schale aufgefüllt, bevor mit der Besetzung der höheren Schale besetzt wird.
Beispiel. Verteilung 3 Elektronen in einer Atomhülle. Nach der Aufbauregel befinden sich somit 2 Elektronen in der 1. Schale und 1 Elektron in der 2. Schale.
Genauerer Aufbau:
Bei genauerer Untersuchung der Linienspektren kann man erkennen, dass die Schalen noch genauer unterteilt werden können. Dazu hat man die Nebenquantenzahlen eingeführt (dies wird hier aber nicht näher erläutert).
Die Schalen werden noch unterteilt in sogenannte Orbitale, die man mit s, p, d und f bezeichnet. Ein s-Orbital kann max. 2 Elektronen fassen, ein p-Orbital max. 6 Elektronen, ein d-Orbital max. 10 Elektronen und ein f-Orbital kann max. 14 Elektronen aufnehmen. Besetzungsreihenfolge: 1s -> 2s -> 2p -> 3s -> 3p -> 4s -> 3d -> 4p
Beispiel: Calcium
Calcium steht in der 4. Periode, somit hat die Atomhülle vier Schalen
Calium hat 20 Protonen im Atomkern, da ein Atom neutral ist, müssen 20 Elektronen in der Atomhülle verteilt sein.
In die erste Schale passen insgesamt 2 Elektronen (2n2), die erste Schale hat nur ein s-Orbital, in das 2 Elektronen passen => 1s2. In die zweite Schale passen insgesamt 8 Elektronen, die zweite Schale hat ein s- und ein p-Orbital. Zuerst muss das s-Orbital und dann das p-Orbital mit Elektronen aufgefüllt werden (Aufbauregel) => 2s2 2p6. Nun haben wir die Atomhülle schon mit 10 Elektronen besetzt => 1s2 2s2 2p6. Ab der dritten Schale muss darauf geachtet werden, dass erst das 3s-Orbital, dann das 3p-Orbital mit Elektronen besetzt wird. Dann aber wird erst das 4s-Orbital mit Elektronen aufgefüllt und dann erst das 3 d-Orbital.
Somit erhält man als Verteilung der Elektronen in der Atomhülle von Calcium:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s2
Die Atomhülle ist der äußere Teil eines Atoms, in dem die Elektronen auf verschiedenen Energieniveaus, auch Schalen genannt, zirkulieren.
Die Elektronen sind in der Atomhülle in Schalen verteilt. Jede Schale kann eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen.
Die erste Schale kann maximal zwei Elektronen aufnehmen.
Die zweite Schale kann maximal acht Elektronen aufnehmen.
Die Oktettregel besagt, dass Atome dazu neigen, ihre äußere Schale mit acht Elektronen zu füllen, um eine ähnliche Elektronenkonfiguration wie die Edelgase zu erreichen.
Valenzelektronen sind die Elektronen auf der äußersten Schale eines Atoms, die an chemischen Bindungen beteiligt sind.
Bei chemischen Reaktionen sind es die Elektronen in der Atomhülle, die Transfers und Verschiebungen durchmachen, wodurch Bindungen gebildet oder gelöst werden.
Nach dem Pauli-Prinzip kann jede Elektronenunterenergie in einem Atom von höchstens zwei Elektronen besetzt werden, die sich in ihrer Spinquantenzahl unterscheiden müssen.
Nach der Hund’sche Regel werden alle Orbitale mit der gleichen Energie zuerst durch ein einzelnes Elektron mit parallelen Spins besetzt, bevor das zweite Elektron hinzugefügt wird.
Die Hauptquantenzahl bestimmt die Größe und Energie eines Elektronenorbitals während die Nebenquantenzahl die Form des Orbitals bestimmt.