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Baustein 7.2 Das Schalenmodell

Du hast in den letzten Bausteinen gelernt, dass die Elektronen in der Atomhülle durch die Aufnahme von Energie eine höhere Energiestufen einnehmen können. Diese Energiestufen sind festgelegt und jedes Element hat ganz bestimmte Energiestufen. Die Elektronen können durch die Abgabe von Energie, wieder in eine niedrigere Energiestufen übergehen. Die Energie wird in Form von Licht abgegeben. Dieser Prozess ist die Ursache für die Emission der spezifischen Linienspektren der Elemente.

Wir können uns nun also vorstellen, dass es in der Atomhülle verschiedene, erlaubte Stufen für die Elektronen gibt, doch es bleibt die Frage, wie wir uns diese Stufen vorstellen können und wie genau sich die Elektronen eines Atoms dort verteilen.


Mit dieser Frage beschäftigte sich ab 1913 auch der Physiker Niels Bohr. Er stellte ein Modell zum Aufbau der Atome auf, dass heute als Bohr'sches Atommodell oder auch Schalenmodell bekannt ist.

Er berechnete wichtige Eigenschaften der Energiestufen der Elektronen um die Verteilung der Elektronen auf den Energiestufen zu bestimmen. Er konnte zum Beispiel bestimmen wie viele Elektronen sich auf einer Energiestufe befinden können. Die folgende Abbildung zeigt dir die von Bohr bestimmte Verteilung der Elektronen. Darunter findest du auch noch eine Tabelle, welche dir die Verteilung zeigt.

Tabelle der Elektronenverteilung

Die folgende Tabelle zeigt dir die Verteilung der Elektronen auf den Energiestufen für die ersten 18 Elemente:

 

Elektronen auf Energiestufe 1

Elektronen auf Energiestufe 2

Elektronen auf Energiestufe 3

1 H – Wasserstoff

1

 

 

2 He – Helium

2

 

 

3 Li – Lithium

2

1

 

4 Be – Beryllium

2

2

 

5 B – Bor

2

3

 

6 C – Kohlenstoff

2

4

 

7 N – Stickstoff

2

5

 

8 O – Sauerstoff

2

6

 

9 F – Fluor

2

7

 

10 Ne – Neon

2

8

 

11 Na – Natrium

2

8

1

12 Mg – Magnesium

2

8

2

13 Al – Aluminium

2

8

3

14 Si – Silicium

2

8

4

15 P – Phosphor

2

8

5

16 S – Schwefel

2

8

6

17 Cl – Chlor

2

8

7

18 Ar – Argon

2

8

8

 

Schalen als Energiestufen

Ihr habt nun gelernt, wie viele Elektronen sich jeweils auf den ersten 3 Energiestufen in der Atomhülle befinden. Wie es danach weiter geht, wird weiter unten beantwortet.

Es bleibt aber zunächst die Frage offen, wie wir uns diese Energiestufen vorstellen können. Auch diese Frage versuchte Bohr zu beantworten.

Schon das Atommodell von Dalton basierte auf der Vorstellung, dass Atome kugelförmig sind. Bohr konnte sogar berechnen, dass sich die Elektronen in einem festgelegten Abstand zum Atomkern befinden müssen. Es bilden sich sogenannte Schalen um den Atomkern. Diese Erkenntnis lässt sich ohne Probleme mit dem Modell der Energiestufen verbinden. Die Schale, die sich am nächsten zum Atomkern befindet, entspricht der niedrigsten Energiestufe. In dieser Schale finden 2 Elektronen Platz. Die nächste Schale ist weiter vom Kern entfernt und kann bis zu 8 Elektronen aufnehmen, dies ist die zweite Energiestufe, usw. ...

Auf diese Weise können wir uns schrittweise ein zweidimensionales Modell eines Atoms aus einem Kern und einer Hülle aus Elektronen aufbauen. Die Elektronen befinden sich dabei in Schalen. Jede Schale ist eine Energiestufe.

In drei Dimensionen ist ein Atom in diesem Modell eine Kugel, die aus dem kleinen, aber schweren Atomkern und der Atomhülle aufgebaut ist. Die Atomhülle setzt sich dabei aus den Schalen zusammen. Sie befinden sich wie Schichten um den Atomkern und stellen die Bereiche dar, in denen sich die Elektronen befinden.

Aufgabe

  1. Ordne den Zeichnungen des Schalenmodells eines Atoms das richtige Element zu. 
  2. Zeichne mithilfe der Tabelle zur Elektronenverteilung oder dem Bild der Elektronenverteilung auf den Energiestufen ein Schalenmodell eines Atoms der folgenden Elemente:
    1. Wasserstoff
    2. Kohlenstoff
    3. Sauerstoff
    4. Lithium
    5. Chlor
  3. Wie würde das Schalenmodell von Kalium aussehen? Zeichne es.

Wichtig: In den Zeichnungen sind die Atomkerne nur als graue Kugeln dargestellt, damit die Abbildung übersichtlicher ist. Den Aufbau des Atomkerns haben wir in Baustein 6 behandelt.

Erklärung der Flammenfärbung mit dem Schalenmodell

Aufgabe

Du hast ausgehend von den einzigartigen Linien der Emissionsspektren erarbeiten können, wie die Hülle eines Atoms aufgebaut ist.

  1. Löse die folgende Aufgabe, indem du die Lücken im Text mit den passenden Begriffen füllst.
  2. Fasse dann in eigenen Worten zusammen, wie die Entstehung der Emissionslinien mithilfe des Schalenmodells erklärt werden kann.

Aufgabe

Lithium-Verbindungen zeigen, wie auch elementares Lithium, eine rote Flammenfärbung. Die Linien des Emissionsspektrums kannst du dir in Baustein 7.1 nochmals ansehen. Du sollst nun die Entstehung einer dieser speziellen Emissionslinien eines Lithiumatoms modellhaft nachvollziehen.

  1. Löse die folgende Zuordnungsaufgabe, in der du den Begriffen die richtigen Zahlenwerte zuordnen sollst.
  2. Veranschaulicht zeichnerisch das Prinzip der Entstehung einer Emissionslinie bei der Flammenfärbung. Nutze dazu das Modell eines Lithiumatoms als Ausgangspunkt und gliedere den Prozess sinnvoll.

Schau dir bei Schwierigkeiten einen Tipp nach dem anderen an.

Schalenmodell eines Lithiumatoms

Tipps

1. Tipp

Starte mit dem dargestellten Modell des Lithiumatoms.

Der Prozess besteht aus mehreren Teilschritten. Schau dir nochmal den Lückentext auf dieser Seite an.

2. Tipp

Die Teilschritte des Prozesses sind:

  • Grundzustand
  • Aufnahme von Energie
  • angeregter Zustand
  • Abgabe von Energie
  • Grundzustand

3. Tipp

Zeichne für jeden Teilschritt zuerst den Atomkern und die 1. Schale, die mit 2 Elektronen besetzt ist.

Das 3. Elektron nimmt Energie auf und gibt sie wieder ab.

Für Interessierte zum Weiterdenken

Aufgabe

Du hast bisher die Verteilung der Elektronen auf den ersten 3 Energiestufen bzw. in den ersten 3 Schalen der Atomhülle kennengelernt.

Wie viele Elektronen müssten sich nach dem hier dargestellten Verteilungsprinzip auf der 4. Energiestufe bzw. in der 4. Schale der Atomhülle aufhalten?

Tipps

  1. Vergleiche die Zuordnung der Elektronen zu den Energiestufen mit der Position der Elemente im Periodensystem.
  2. Für jedes weitere Element, was du im Schalenmodell beschreiben möchtest, kommt ein Elektron im Modell hinzu.

Auflösung

Auf der Energiestufe 4 müssten sich, nach dem oben angegebenem Schema, 18 Elektronen für die Elemente Kalium bis Krypton (19 bis 36) aufhalten.

Doch damit hätten die Elemente von Gallium bis Krypton (31 bis 36) nicht die gleiche Anzahl an Elektronen auf ihrer äußersten Schale, wie ihre "oberen Nachbarn" in den Perioden 1 bis 3. Bohr erkannte darin einen Widerspruch, denn Experimente zum Verhalten der Elemente zeigten, dass dies der Fall sein musste.

Er löste dieses Problem, indem er Unterstufen einführte. Die Elektronen der Elemente 21 bis 30 befinden sich demnach auf einer eigenen Schale, auf der sich 10 Elektronen aufhalten können. Erst wenn diese Unterschale voll ist, wird die Energiestufe 4 weiter aufgefüllt. Dies soll an einem Beispiel verdeutlicht werden:

Das Element Arsen besitzt 33 Elektronen in der Hülle. Die ersten 18 Elektronen befinden sich auf den ersten drei Schalen, so wie ihr es aus dem Bild, der Tabelle und den Aufgaben kennt. Die Elektronen 19 und 20 befinden sich auf der Energiestufe 4. Das 21. Elektron wird auf einer Unterschale gebunden, auch das 22., 23. usw. bis die Unterschale mit 10 Elektronen gefüllt ist. Ab dem 31. Elektron wird dann wieder die Energiestufe 4 aufgefüllt, bis sich auf ihr insgesamt 5 Elektronen befinden, sodass sich auch bei dem Element Arsen 5 Elektronen auf der obersten Energiestufe befinden. Man könnte diese, von Bohr eingeführte, Unterstufe 4a nennen oder 4.1.

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