Das Schalenmodell in der Chemie – der Atomaufbau

Die Entwicklung vom Bohrschen Atommodell zum Schalenmodell

Das Schalenmodell wird oft im Rahmen des Schulunterrichts angewandt, um den Aufbau eines Atoms vorzustellen. Dabei wird oft das Bohrsche Atommodell mit dem Schalenmodell gleichgesetzt. Dennoch ist das Schalenmodell eine „Weiterenticklung“ des Bohrschen Atommodells (und nicht ein Synonym)

Nach dem Bohrschen Atommodell „umkreisen“ die negativ geladenen Elektronen den positiv geladenen Atomkern auf bestimmt Bahnen. Die Elektronen kreisen auf vorgegebenen Bahnen um den Kern. Jede dieser Bahnen steht dabei für ein bestimmtes Energieniveau. Das bedeutet, jedem Elektron wird eine bestimmte Kreisbahn zugeordnet, mit einem bestimmten Abstand zu Atomkern

Das Schalenmodell baut auf einer ähnlichen Modellvorstellung auf. Nach dem Schalenmodell sind negativ geladene Elektronen in der Atomhülle in Schalen angeordnet, vorstellbar wie die Schalen einer Zwiebel. Die maximale Elektronen-Kapazität einer Schale beträgt dabei 2n² (n = Schale). Diese Elektronen bewegen sich dabei mit einem bestimmten Abstand um den positiv geladenen Atomkern. Dabei entsprechen die Schalen (im Schalenmodell) den räumlichen Aufenthaltsbereichen für Elektronen mit ähnlicher Energie.

Daher ist das Schalenmodell im eigentlichen Sinne kein neues Modell, da bereits im Bohrschen Atommodell Elektronen modellhaft auf bestimmten Kreisbahnen den Atomkern umkreisen. Das Schalenmodell ist daher als eine Erweiterung des Bohrschen Atommodells und eine Vereinfachung des Orbitalmodells zu sehen.

Die Abgrenzung des Schalenmodells vom Orbitalmodell

Die „Unschärfebeziehung“ von Heisenberg (Ort und Geschwindigkeit von Elektronen lassen sich nicht beliebig genau bestimmen) führt dazu, dass sich die Vorstellung von genau definierten Bahnen in der Atomhülle (Modellvorstellung des Bohrschen Atommodells) als falsch erwiesen hat. Über die Bahn sind prinzipiell keine Aussagen möglich, die Bahn kann nur mithilfe statistischer Möglichkeiten beschrieben werden.

Im Orbitalmodell wird nun die Bahn auf der sich Elektronen befinden zu einem Aufenthaltsraum (Orbital), in dem sich ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält. Die konkrete Berechnung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit und dem „genauen“ Ort des Elektrons in der Atomhülle wäre mathematisch fast unmöglich. Daher hat sich das Schalenmodell als Vereinfachung des Orbitalmodells bewährt.

Das Schalenmodell erklärt daher den Aufbau eines Atoms, in dem es auf dem Bohrschen Atommodell aufbaut, aber andererseits auch die modernen Anforderungen aus der Quantenmechanik (aus dem Orbitalmodell) berücksichtigt. Denn für den „Aufenthaltsort eines Elektrons in der Atomhülle kann kein genauer Ort angegeben werden (was aber eine Bahn wäre), sondern nur ein bestimmter Aufenthaltsbereich (eine Schale bzw. Orbital). Die Abgrenzung des Schalenmodells vom Bohrschen Atommodell resultiert daher, dass das Schalenmodell nicht mehr von klassischen Teilchenbahnen ausgeht (wie im Bohrschen Atommodell), sondern baut auf quantenmechanischen Ansätzen auf.

Anwendung des Schalenmodells

Ordnet man nun jedes Elektron in der Atomhülle ein, so wird jedem Elektron ein möglichst niedriges Energieniveau (= Schale) zugeordnet. Da die sogenannte „innerste Schale“ (die Schale, die sich dem Atomkern am nächsten befindet) hat das niedrigste Energieniveau und wird daher zuerst mit Elektronen besetzt. Jede Bahn wird mit einem Buchstaben K, L, M, N,… oder einer Zahl 1, 2, 3, 4,… „bezeichnet“, (wobei gilt: K = 1, L =2, ..) und kann 2n²-Elektronen „aufnehmen“

Nehmen wir als Beispiel das Natrium-Atom und leiten uns das Schalenmodell für Natrium her:

  • Natrium hat die Ordnungszahl 11, daher hat das Natrium-Atom 11 Protonen in seinem Atomkern.
  • Da das Natrium-Atom neutral ist, muss es 11 Elektronen in seiner Atomhülle haben

Nun müssen wir als gemäß dem Schalenmodell 11 Elektronen verteilen:

  • Die K-Schale (n = 1) ist die innerste Schale und hat nach dem Bohrschen Atommodell eine „Kapazität“ von 2n² = 2·(1)³ = 2 Elektronen
  • Nachdem die K-Schale vollständig mit Elektronen besetzt ist, verteilen wir die restlichen 9 Elektronen (11 – 2) auf die nächsten Schalen.
  • Die L-Schale (n = 2) ist die zweitinnerste Schale und hat nach dem Schalenmodell eine Kapazität von 2·(2)² = 8 Elektronen
  • Damit ist nun auch die L-Schale vollständig mit Elektronen besetzt. Das restliche 1 Elektron (11 – 2 – 8) verteilen wir auf die nächste Schale.
  • Die M-Schale (n = 3) hat nach dem Schalen eine Kapazität von 2·(3)² = 18 Elektronen. Da wir aber nur noch ein Elektron zur Verfügung haben, befindet sich auf der M-Schale 1 Elektron



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