Atomhülle

Atomhülle Aufbau

Die Atomhülle ist, je nach Element 20.000 bis 150.000-mal größer als der Atomkern. Obwohl das der Fall ist, befindet sich 99 % der Masse im Atomkern. Woran liegt das?

Baustein der Atomhülle

Der Massenunterschied wird erkenntlich, wenn Du die Eigenschaften der Bausteine der Atomhülle – den Elektronen – betrachtest.

Die Ladung von Elektronen nennst Du negative Elementarladung \(e^{-}\). Diese wird in Coulomb angegeben und entspricht etwa\[e^-=-1,602\cdot10^{-19}\,C.\] Die negative Elementarladung ist der Grund dafür, dass die Atomhülle negativ geladen ist. Außerdem haben Elektronen eine Masse von etwa \[m_{E}=9,109\cdot10^{-31}\,kg.\]

Im Atomkern befinden sich die Protonen und Neutronen. Die Protonen haben im Grunde dieselbe Elementarladung wie die Elektronen nur ohne negativem Vorzeichen:

\[e^+=1,602\cdot10^{-19}\,C.\]

Weiterhin sind Protonen und Neutronen etwa 2000-mal so schwer wie ein Elektron. Dementsprechend hat die Masse der Elektronen kaum eine Auswirkung auf die Masse des gesamten Atoms.

Wie ist die Atomhülle nun eigentlich aufgebaut?

Schalenmodell der Atomhülle

Der Aufbau der Atomhülle kann mit mehreren Modellen veranschaulicht werden. Eines der ersten Modelle, das gelehrt wird, ist das Schalenmodell. Es basiert auf dem Bohrschen Atommodell und erweitert es.

Beachte, dass das Schalenmodell nur ein Modell ist. Bei einem Modell handelt es sich um eine Vereinfachung der Wirklichkeit. Die Natur eines Modells verhält sich ähnlich wie die einer Theorie. Sie soll entweder erweitert oder falsifiziert werden.

Bei dem Schalenmodell befindet sich der Atomkern im Mittelpunkt. Außen um das Atom herum bauen sich die Schalen der Atomhülle auf. Abbildung 2 zeigt Dir ein Beispiel dazu. Das gezeigte Atom gehört zum Element Kohlenstoff.

Der Atomkern in der Mitte wurde rot hinterlegt und mit einem Plus versehen, um die positive Ladung zu symbolisieren. Für die Schalen wurden Kreise um den Atomkern herum gezeichnet. Die Schalen werden mit der Periode immer größer. Die Elektronen wurden blau hinterlegt und mit einem Minus versehen, um die negative Ladung zu symbolisieren. Sie befinden sich innerhalb der Schalen.

Wie Du sehen kannst, hat der Kohlenstoff zwei Schalen. Von innen nach außen befinden sich auf der ersten Schale zwei Elektronen und auf der zweiten vier. Der Kohlenstoff besitzt also sechs Elektronen. Die Elektronenverteilung ist hier jedoch nicht willkürlich gewählt. Jede Schale hat ein eigenes Elektronenmaximum.

Die Schalen der Atomhülle haben weiterhin eigene Bezeichnungen. Du nennst etwa die Schale der ersten Periode K-Schale. Nach der oberen Formel kannst Du eine maximale Elektronenanzahl von 2 für sie berechnen. Dementsprechend weist Du auch nur zwei Elektronen, von den sechs Elektronen des Kohlenstoffs, dieser Schale zu. Nachdem eine Schale gefüllt wurde, machst Du mit der nächsten Schale weiter.

Der folgenden Tabelle kannst Du genau diese Informationen entnehmen. In der ersten Spalte findest Du die Periode im Periodensystem. Die zweite Spalte enthält die Bezeichnungen der Schale und die dritte enthält die jeweilige maximale Elektronenanzahl.

Tabelle 1: Periode, Bezeichnung und Elektronenmaximum der Schalen der Atomhülle.

Dadurch, dass das Schalenmodell relativ simpel gestaltet ist, können bestimmte Eigenschaften von Elementen, im Vergleich zu detaillierteren Modellen, besser veranschaulicht werden. Eine Eigenschaft ist etwa die Edelgasregel.

Schalenmodell der Atomhülle Edelgasregel

Atome nehmen bei Reaktionen Elektronen auf oder sie geben welche ab und werden somit zu Ionen. Das machen sie aber nicht zufällig. Jedes Ion strebt nämlich danach, stabil zu sein. Hierbei ist die stabilste Konfiguration der Atomhülle die der Edelgase. Die Edelgase befinden sich in der achten Hauptgruppe des Periodensystems. Du nennst solch eine Konfiguration somit auch Edelgaskonfiguration.

Die Atome eines Elements, die etwa ein Elektron auf der äußersten Schale haben, geben dieses eher ab, damit die letzte Schale keine Elektronen mehr besitzt. Atome, die bereits sieben Elektronen auf der äußersten Schale haben, würden demnach lieber ein Elektron aufnehmen, um somit auf acht Elektronen zu kommen.

Die Aufnahme und Abgabe der Elektronen erfolgt in der Regel über chemische Reaktionen mit anderen Atomen, die ebenfalls eine Edelgaskonfiguration anstreben.

Atome können auch in Molekülen eine Edelgaskonfiguration erhalten. Dabei teilen sich die verschiedenen Atome ihre Elektronen. In Abbildung 5 siehst Du, wie sich die Schalen von Atomen in Molekülen überschneiden. Gezeigt wird das Wassermolekül, das aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht.

Die Wasserstoffatome haben jeweils ein Valenzelektron. Sie teilen sich ein weiteres Elektron mit dem Sauerstoff, um die Edelgaskonfiguration von Helium zu erreichen.

Der Sauerstoff hingegen hat sechs Valenzelektronen. Mit den beiden Elektronen von den Wasserstoffatomen erreicht es die Edelgaskonfiguration von Neon.

Der Winkel in der Darstellung des Wassermoleküls hat ebenfalls einen bestimmten Grund. Dieser kann jedoch nicht mit dem Schalenmodell erklärt werden.

Schalenmodell der Atomhülle Schwächen

Moleküle sehen nicht alle gleich aus. Während sich einige Verbindungen planar, also zweidimensional im Raum befinden, bauen andere dreidimensionale Konstrukte. Woran das liegt, kann mit dem Schalenmodell nicht erklärt werden. Dafür werden andere Modelle benötigt – wie das Kugelwolkenmodell.

Die Menschen haben bislang noch keine Möglichkeit, um genau zu erkennen, wie ein Atom aussieht. Folglich müssen Modelle erstellt werden, die das heutige Wissen vereinfacht darstellen. Das heute modernste Atommodell nennst Du Orbitalmodell. Es ist detaillierter als das Schalen- und Kugelwolkenmodell. Wenn Du also mehr darüber erfahren möchtest, dann schau in der Erklärung zur Orbitalstruktur vorbei.