Atomhülle

Oktober 28, 2024 Kategorie(n): Chemie

Die Atomhülle bzw. Elektronenhülle ist die Gesamtheit aller Elektronen, welche sich um einen Atomkern bewegen und von diesen gebunden werden. Da jedes Atom elektrisch neutral geladen ist, ist die Anzahl der Elektronen in der Hülle genauso groß wie die Anzahl der Protonen im Atomkern. Für die Chemie ist die Atomhülle deshalb wichtig, da die umherwandernden Elektronen dort ansässig sind. (siehe auch Artikel zu den Grundlagen der Chemie)

Was ist eine Atomhülle

Die Atomhülle ist ein Modell, welches man heranzieht, um sich den Aufbau eines Atoms zu erklären. Demnach besitzt jedes Atommodell einen Atomkern, welcher aus positiv geladenen Protonen und neutral geladenen Neutronen besteht. Außerhalb des Kerns besitzt jedes Atom eine Hülle. In dieser Hülle befinden sich elektrisch geladene Elektronen, welche um den Atomkern kreisen.

Atom mit Atomhülle und Atomkern

Was befindet sich in der Atomhülle

In der Atomhülle befinden sich Elektronen. Dies sind elektrisch geladene Elementarteilchen. Der Atomkern eines chemischen Elements besitzt eine bestimmte Anzahl von Protonen. So hat bspw. Wasserstoff genau 1 Proton und Sauerstoff genau 8 Protonen. Durch die Protonenanzahl im Kern unterscheiden sich die Elemente auf atomarer Ebene.

Wichtig ist….
Die Elektronenanzahl in der Hülle entspricht genau der Protonenanzahl im Kern. Das bedeutet, dass das Sauerstoffatom genau 8 Protonen (positiv) im Kern und genau 8 Elektronen in der Hülle hat.

Gleiche Anzahl Protonen und Elektronen

Was befindet sich zwischen Atomkern und Atomhülle

Zwischen Atomkern und Atomhülle wirken Kräfte. Da sich positiv und negativ geladene Teilchen gegenseitig anziehen, werden die Elektronen nicht aus dem Atom herausgeworfen, sondern bleiben in der Nähe des Kerns.

Anziehungskräfte zwischen den Teilchen im Atomkern und Teilchen in der Hülle

Warum ist die Atomhülle stabil

Normalerweise müssten, durch die Anziehungskraft, die Elektronen in den Kern gezogen werden. Doch die Elektronen kreisen um den Atomkern. Dies ist so ähnlich, wie bei einem Kettenkarussell, bei dem die Insassen nach außen gedrückt werden. Das bedeutet, dass durch die Kreisbewegung sogenannte Fliehkräfte entstehen, welche die Elektronen nach außen drücken.

Zentrifugalkraft im Atom und beim Karusellfahren

Kurzum…
Die Fliehkräfte bewirken, dass die Elektronen nicht in die Atomhülle einwandern. Und die Anziehungskräfte zwischen Protonen und Elektronen bewirken, dass die Elektronen nicht aus der Atomhülle herausfallen.

Woher weiß man, dass diese Kräfte in der Atomhülle wirken

Man weiß es nicht, sondern erklärt es sich anhand einer Modellannahme. Und das Atommodell, welches 1913 von Niels Bohr aufgestellt wurde, soll dieses Verhalten lediglich schlüssig machen.

Man wusste seit dem Atommodell von Ernest Rutherford (1911), dass es in einem Atom einen positiv geladenen Atomkern mit Protonen gibt. Das Bohrsche Atommodell baut darauf auf und erklärt, welche Kräfte zwischen Protonen und Elektronen wirken müssen, damit das Atom stabil bleibt.

Es handelt sich demnach um ein Gedankenmodell, welches das Zusammenwirken aufgrund von Flieh- und Anziehungskräften erklärt.

Wie ist das Größenverhältnis zwischen Atomkern und Atomhülle

Der Atomkern ist deutlich kleiner als die Atomhülle. So ist der Durchmesser der Atomhülle um das 20.000-fache bis 150.000-fache größer als der Durchmesser des Atomkern.

Die Masse bzw. das Gewicht eines Atoms wird allerdings durch den Atomkern bestimmt. So macht der Atomkern etwa 99,95 % bis 99,98 % des Gesamtgewichts aus. Auf die Atomhülle entfallen demnach nur noch 0,05% bis 0,02% des Gesamtgewichts.

Das bedeutet auch….
Elemente mit höherer Ordnungszahl (= mehr Protonen) sind schwerer als Elemente mit geringerer Ordnungszahl (=weniger Protonen).

Was ist das Schalenmodell nach Bohr

Das Schalenmodell nach Niels Bohr geht davon aus, dass die Elektronen in gewissen Abständen zum Atomkern existieren. Diese Abstände ergeben sich aus dem Zusammenwirken der Anziehungskräfte zwischen dem positiven Kern und negativ geladenen Elektronen. (Anziehungskräfte)

Da die Elektronen allesamt negativ geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab. Demnach existieren neben den Anziehungskräften auch Abstoßungskräfte. Das Zusammenwirken beider gegeneinander wirkenden Kräfte äußert sich dann in den Kreisbewegungen und den dadurch entstehenden Fliehkräften.

Bohr unterschied dabei zwischen verboten Abständen und erlaubten Abständen zum Atomkern. Die erlaubten Abstände ergeben sich durch das Zusammenwirken zwischen Anziehungs- und Abstoßungskräften innerhalb des Atoms. Auf diesen erlaubten Abständen bewegen sich die Elektronen. Bohr bezeichnete diese erlaubten Abstände als Schalen.

Atomhülle mit Schalen

Alle Elektronen bewegen sich demnach auf Schalen (erlaubte Abstände) um den Atomkern herum. Je nach Anzahl der Elektronen im Atom existieren verschiedene Anzahlen von Elektronenschalen. So hat ein Element mit nur einem Elektron nur eine Kreisschale. Andere Elemente mit vier Elektronen besitzen zwei Elektronenschalen.

Warum sind Atomhüllen unterschiedlich groß

Jedes Atom besitzt eine unterschiedliche Anzahl an Elektronen, welche um den Atomkern kreisen. Dabei kreisen diese in unterschiedlichen Abständen zum Atom. Je mehr Elektronen ein Atom hat, desto mehr Schalen werden befüllt, weshalb es unterschiedliche Größen annimmt.

Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl an Protonen und Elektronen verändert sich der Durchmesser des Atoms

Wie ist eine Atomhülle aufgebaut

Laut dem Bohrschen Atommodell existieren Elektronenschalen, welche die Elektronen auf einer Kreisbewegung halten. Die Schalen sind nach den Buchstaben im Alphabet benannt und beginnen bei K. Demnach existieren:

• eine K-Schale mit 2 Elektronen
• eine L-Schale mit 8 Elektronen
• eine M-Schale mit 18 Elektronen
• eine N-Schale mit 32 Elektronen

Warum man beim Buchstaben „K“ angefangen hat und nicht bei „A“, kann niemand erklären. Dazu müsste man Niels Bohr fragen, welcher allerdings seit 1962 tot ist. Es bleibt demnach ein Mysterium.

Atomhülle mit maximaler Schalenbelegung für die K-Schale, L-Schale, M-Schale und N-Schale

Wie ist die Atomhülle für die ersten 20 Elemente aufgebaut

Für die ersten 20 Elemente des Periodensystems, ergibt sich allerdings eine andere Schalenbesetzung bis zur 4. Schale.

• K-Schale mit 2 Elektronen (bleibt gleich)
• L-Schale mit 8 Elektronen (bleibt gleich)
• M-Schale mit 8 Elektronen (ändert sich)
• N-Schale mit den restlichen Atomen

Schalenmodell bis 20 Protonen oder Elektronen mit geänderter M-Schale

Warum ist die Atomhülle der ersten 20 Elemente anders aufgebaut

Je mehr Protonen in einem Atomkern sind, desto stärker wirken die Anziehungskräfte auf die Elektronen.

Da der Atomkern die einzig bedeutende Masse in einem Atom ist, wirken starke Anziehungskräfte mit zunehmender Atommasse. Demnach zieht die Masse des Atomkerns die Elektronen auf den ersten Schalen sehr stark an. Gleichzeitig wirken die oben beschriebene Fliehkräfte so stark, dass sich bei hoher Kernladung (= Protonenzahl) die Elektronen in den inneren Schalen (K und L) fast in Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die Gesetze der kinetischen Mechanik werden ungültig, weshalb auch die Schalen anders besetzt sind.

Calcium (Ordnungszahl 20) ist das letzte Element mit einer 8-er M-Schale. Ab Scandium (21) gilt eine 18-er M-Schale.

Hier das Bild zu Scandium (21) mit einer 9-er M-Schale.

Wo kann der Aufbau der Elektronenhülle abgelesen werden

Die Elektronenstruktur kann im Periodensystem abgelesen werden. Dabei sind drei Begriffe notwendig:

• Die Ordnungszahl gibt an, wie viele Protonen und Elektronen ein chemisches Element besitzt.
• Die Periode gibt an, wie viele Elektronenschalen ein Element besitzt
• Die Hauptgruppe gibt an, wie viele Elektronen in der äußeren Schale existieren.

Beginnen wir jetzt damit, die Schalenstruktur von Aluminium (Ordnungszahl 13), Sauerstoff (Ordnungszahl 8) und Phosphor (Ordnungszahl 15) herzuleiten.

Ordnungszahl (=Elektronenanzahl)

Die Ordnungszahl eines Elements steht im Periodensystem direkt über dem Elementsymbol. Im Beispiel für Aluminium wäre die Ordnungszahl 13. Demnach befinden sich 13 Protonen im Kern und 13 Elektronen in der Atomhülle.

Aluminium mit dem Elementsymbol Al und der Ordnungszahl 13 im Periodensystem

Am Beispiel des Sauerstoffs mit einer Kernladungszahl von 8, befinden sich 8 Protonen im Kern und 8 Elektronen in der Hülle.

Und am Beispiel von Phosphor mit einer Ordnungszahl von 15, befinden sich demnach 15 Protonen im Kern und 15 Elektronen in der Atomhülle.

Periode (Anzahl der Elektronenschale)

Die Periode ist die linke Leiste im Periodensystem.

Auf der linken Seite des Periodensystems lässt sich die Periode und somit auch die Anzahl der Elektronenschalen ablesen. Am Beispiel von Aluminium (Ordnungszahl = 13) wäre dies die 3 Periode. Demnach besitzt Aluminium genau drei Elektronenschalen (K, L und M).

Am Beispiel von Aluminium die Anzahl der Elektronenschalen bestimmen

• K-Schale: 2 Elektronen (voll besetzt)
• L-Schale: 8 Elektronen (voll belegt)
• M-Schale: die restlichen 3 (teilweise belegt)

Atomhülle mit Schalenmodell für Aluminium

Sauerstoff (8) steht in der zweiten Periode. Demnach besitzt Sauerstoff lediglich 2 Elektronenschalen (K und L).

Sauerstoff in der zweiten Periode besitzt demnach zwei Elektronenschalen.

Die Schalenbelegung sieht dann so aus:

• K-Schale: 2 Elektronen (voll besetzt)
• L-Schale: 6 Elektronen (teilweise besetzt)

Und Phosphor (Ordnungszahl 15) steht in der dritten Periode. Demnach besitzt Phosphor ebenfalls 3 Elektronenschalen (K, L und M). Die Schalenbelegung wäre demnach: 2, 8, 5.

Hauptgruppe (Anzahl der Außenelektronen)

Die Hauptgruppe eines jeweiligen Elements ist im Periodensystem eine Leiste über den Elementen und reicht von 1 bis 8. Am Beispiel von Aluminium (13) wäre dies die 3. Hauptgruppe. Demnach hat Aluminium in seiner äußeren Schale lediglich 3 Elektronen (siehe vorherigen Abschnitt). Sauerstoff (8) steht in der 6. Hauptgruppe. Demnach befinden sich in der äußeren Elektronenschale genauso 6 Elektronen (siehe vorherigen Abschnitt). Phosphor (15) steht in der 5. Hauptgruppe und besitzt demnach in der äußeren Schale genau 5 Elektronen (siehe vorherigen Abschnitt).

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