Das Schalenmodell - Chemie
Das Schalenmodell - Chemie
Das Schalenmodell - Chemie
Einleitung
Das Schalenmodell ist ein vereinfachtes Atommodell, mit dem Du den Aufbau der Atomhülle beschreiben kannst. Im Modell befinden sich negativ geladene Elektronen auf bestimmten Schalen um den positiv geladenen Atomkern. Der Atomkern enthält Protonen und Neutronen.
Das Modell hilft Dir besonders dabei,
- die Elektronenverteilung einfacher Atome darzustellen,
- Informationen aus dem Periodensystem zu nutzen,
- Valenzelektronen zu erkennen,
- die Bildung von Ionen zu erklären,
- erste Zusammenhänge zwischen Atombau und chemischem Verhalten zu verstehen.
Vom Kern-Hülle-Modell zum Schalenmodell
Das Kern-Hülle-Modell unterscheidet zwischen einem sehr kleinen, massereichen Atomkern und einer großen Atomhülle. Das Schalenmodell ergänzt diese Vorstellung: Die Elektronen der Hülle werden verschiedenen Energiebereichen zugeordnet.
Der dänische Physiker Niels Bohr entwickelte 1913 ein Atommodell mit bestimmten erlaubten Energieniveaus. Im schulischen Schalenmodell werden diese Energieniveaus als kreisförmige Schalen gezeichnet. Diese Kreise sind eine anschauliche Darstellung und keine echten Bahnen, auf denen Elektronen wie Planeten fliegen.
Aufbau eines Atoms
Ein Atom besteht aus Atomkern und Atomhülle.
| Teilchen | Ladung | Ort im Atom | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| Proton | positiv | Atomkern | Bestimmt die Ordnungszahl und damit das Element |
| Neutron | neutral | Atomkern | Trägt zur Masse und zur Stabilität des Kerns bei |
| Elektron | negativ | Atomhülle | Bestimmt wesentlich das chemische Verhalten |
Bei einem elektrisch neutralen Atom gilt:
Ein Sauerstoffatom hat die Ordnungszahl 8. Es besitzt daher 8 Protonen und als neutrales Atom auch 8 Elektronen.
Die Elektronenschalen
Die Schalen werden vom Kern nach außen mit K, L, M, N und weiteren Buchstaben bezeichnet. Sie entsprechen den Hauptquantenzahlen .
| Schale | Hauptquantenzahl | Allgemeine Höchstzahl nach | Vereinfachte Bedeutung in der Schule |
|---|---|---|---|
| K | 1 | 2 | innerste Schale |
| L | 2 | 8 | zweite Schale |
| M | 3 | 18 | bei den ersten 20 Elementen meist mit höchstens 8 Elektronen dargestellt |
| N | 4 | 32 | beginnt beim Kalium im vereinfachten Modell |
Die allgemeine Höchstzahl einer Schale wird mit
berechnet. Für die ersten 20 Elemente arbeitet der Chemieunterricht häufig mit der vereinfachten Verteilung 2 | 8 | 8 | 2. Diese Vereinfachung entsteht, weil sich Energieniveaus und Unterschalen überlagern. Das genauere Orbitalmodell erklärt diese Besetzung besser.
Elektronen richtig verteilen
Gehe beim Zeichnen eines neutralen Atoms in dieser Reihenfolge vor:
- Lies die Ordnungszahl im Periodensystem ab.
- Setze diese Zahl als Anzahl der Protonen in den Kern.
- Verwende dieselbe Zahl als Anzahl der Elektronen.
- Fülle zuerst die K-Schale, danach die L-Schale und anschließend weitere Schalen.
- Prüfe, wie viele Elektronen auf der äußersten besetzten Schale liegen.
Beispiel Lithium: Lithium hat die Ordnungszahl 3. Zwei Elektronen liegen auf der K-Schale, ein Elektron liegt auf der L-Schale. Die Verteilung lautet 2 | 1.
Beispiel Natrium: Natrium hat die Ordnungszahl 11. Die Verteilung lautet 2 | 8 | 1.
Schalenmodell und Periodensystem
Das Periodensystem zeigt Dir wichtige Informationen über die Elektronenverteilung.
Periode: Die Periodennummer gibt bei den Hauptgruppenelementen an, wie viele Schalen besetzt sind. Natrium steht in der 3. Periode und besitzt drei besetzte Schalen.
Hauptgruppe: In der üblichen schulischen Hauptgruppenzählung zeigt die Hauptgruppennummer meist die Zahl der Valenzelektronen. Eine wichtige Ausnahme ist Helium: Seine einzige Schale ist bereits mit zwei Elektronen voll.
Ordnungszahl: Sie gibt die Zahl der Protonen an. Beim neutralen Atom entspricht sie auch der Zahl der Elektronen.
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Valenzelektronen und Edelgaskonfiguration
Die Elektronen auf der äußersten besetzten Schale heißen Valenzelektronen oder Außenelektronen. Sie sind für viele chemische Reaktionen besonders wichtig.
Atome mit voll besetzter Außenschale sind meist besonders reaktionsträge. Diese Elektronenverteilung heißt Edelgaskonfiguration. Bei vielen Hauptgruppenelementen bedeutet sie acht Außenelektronen. Bei Helium sind bereits zwei Elektronen ausreichend.
Neon besitzt die Verteilung 2 | 8. Seine Außenschale ist voll besetzt.
Argon besitzt die Verteilung 2 | 8 | 8.
Ionenbildung im Schalenmodell
Atome können Elektronen abgeben oder aufnehmen. Dabei verändert sich nicht der Atomkern, sondern nur die Zahl der Elektronen.
Kation: Ein Atom gibt ein oder mehrere Elektronen ab. Danach besitzt es mehr Protonen als Elektronen und ist positiv geladen.
Anion: Ein Atom nimmt ein oder mehrere Elektronen auf. Danach besitzt es mehr Elektronen als Protonen und ist negativ geladen.
Natrium hat die Verteilung 2 | 8 | 1. Es kann sein Außenelektron abgeben:
Das Natrium-Ion besitzt danach die Verteilung 2 | 8.
Chlor hat die Verteilung 2 | 8 | 7. Es kann ein Elektron aufnehmen:
Das Chlorid-Ion besitzt danach die Verteilung 2 | 8 | 8.
Energieaufnahme und Lichtabgabe
Elektronen können Energie aufnehmen und dadurch in einen höheren Energiezustand gelangen. Beim Übergang in einen niedrigeren Energiezustand wird Energie abgegeben, häufig als Licht. Die Energie eines Lichtquants lässt sich mit
beschreiben. Dabei ist das Plancksche Wirkungsquantum und die Frequenz des Lichts.
Da nur bestimmte Energiedifferenzen erlaubt sind, entstehen charakteristische Linienspektren. Das Bohrsche Modell erklärt besonders das Spektrum des Wasserstoffatoms anschaulich.
Stärken und Grenzen des Schalenmodells
Das Schalenmodell ist nützlich, weil es
- die Elektronenverteilung übersichtlich darstellt,
- das Periodensystem mit dem Atombau verbindet,
- Valenzelektronen sichtbar macht,
- einfache Ionenbildungen verständlich erklärt.
Es hat aber Grenzen. Elektronen bewegen sich nicht auf genau festgelegten Kreisbahnen. In der modernen Quantenmechanik werden Aufenthaltswahrscheinlichkeiten in Orbitalen beschrieben. Auch die Elektronenverteilungen vieler Übergangsmetalle lassen sich mit dem einfachen Schalenmodell nicht ausreichend erklären.
Merke Dir deshalb: Ein Modell ist keine verkleinerte Wirklichkeit. Es ist ein Werkzeug, das bestimmte Beobachtungen erklärt und andere Details bewusst vereinfacht.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Teilchen befinden sich im Schalenmodell in der Atomhülle? (Elektronen) (!Protonen) (!Neutronen) (!Atomkerne)
Wie viele Elektronen passen höchstens auf die K-Schale? (Zwei) (!Vier) (!Acht) (!Achtzehn)
Welche Elektronen bestimmen viele chemische Eigenschaften eines Atoms? (Valenzelektronen) (!Kernelektronen) (!Neutronen) (!Protonen)
Welche Elektronenverteilung besitzt ein neutrales Natriumatom im vereinfachten Schalenmodell? (2 8 1) (!2 7 2) (!2 8 8) (!8 2 1)
Was gibt die Ordnungszahl eines Elements an? (Die Zahl der Protonen) (!Die Zahl der Schalen) (!Die Zahl der Neutronen) (!Die Zahl der Isotope)
Was entsteht, wenn ein Atom ein Elektron abgibt? (Ein positiv geladenes Ion) (!Ein negativ geladenes Ion) (!Ein neues Element) (!Ein Neutron)
Wie heißt ein negativ geladenes Ion? (Anion) (!Kation) (!Isotop) (!Molekül)
Welche Aussage zur Periode ist im einfachen Schalenmodell richtig? (Sie zeigt die Zahl der besetzten Schalen) (!Sie zeigt die Zahl der Neutronen) (!Sie zeigt die Masse eines Elektrons) (!Sie zeigt die Ionenladung)
Warum ist Neon besonders reaktionsträge? (Seine Außenschale ist voll besetzt) (!Es besitzt keine Protonen) (!Es besitzt nur eine Schale) (!Sein Kern ist negativ geladen)
Welches Modell beschreibt Elektronen genauer als Aufenthaltswahrscheinlichkeiten? (Orbitalmodell) (!Kugelteilchenmodell) (!Daltonmodell) (!Kernbausteinmodell)
Memory
| Atomkern | Bereich mit Protonen und Neutronen |
| Elektronenschale | Energiebereich der Atomhülle |
| Valenzelektron | Elektron auf der äußersten besetzten Schale |
| K-Schale | Innerste Elektronenschale |
| Edelgaskonfiguration | Voll besetzte Außenschale |
| Kation | Positiv geladenes Ion |
| Anion | Negativ geladenes Ion |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| K-Schale | erste Elektronenschale |
| L-Schale | zweite Elektronenschale |
| Valenzschale | äußerste besetzte Schale |
| Kation | durch Elektronenabgabe positiv geladen |
| Anion | durch Elektronenaufnahme negativ geladen |
Kreuzworträtsel
| Elektron | Welches negativ geladene Teilchen befindet sich in der Atomhülle? |
| Atomkern | Wie heißt der kleine massereiche Bereich im Zentrum eines Atoms? |
| Valenzschale | Wie heißt die äußerste besetzte Elektronenschale? |
| Kation | Wie heißt ein positiv geladenes Ion? |
| Anion | Wie heißt ein negativ geladenes Ion? |
| Orbitalmodell | Welches Modell beschreibt Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Schalenzeichnung: Zeichne die Schalenmodelle von Wasserstoff, Helium, Lithium und Kohlenstoff. Beschrifte Kern, Schalen und Elektronen.
- Elektronenkarten: Stelle mit Papierkreisen und kleinen Karten die Elektronenverteilungen der ersten zehn Elemente dar.
- Periodensystem-Suche: Wähle fünf Hauptgruppenelemente und notiere Ordnungszahl, Periode, Zahl der Schalen und Valenzelektronen.
- Modellbeschreibung: Erkläre das Schalenmodell in höchstens sechs Sätzen für eine jüngere Klasse.
Standard
- Ionenbildung: Erstelle eine Bildfolge, die die Bildung von Natrium- und Chlorid-Ionen zeigt.
- Modellvergleich: Vergleiche Kugelteilchenmodell, Kern-Hülle-Modell und Schalenmodell in einer Tabelle.
- Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Lernvideo zum Zeichnen eines Atoms im Schalenmodell.
- Edelgaskonfiguration: Untersuche an vier Beispielen, wie Atome durch Elektronenabgabe oder Elektronenaufnahme eine volle Außenschale erreichen.
Schwer
- Fehleranalyse: Entwickle fünf absichtlich fehlerhafte Schalenmodelle und lasse eine Lerngruppe die Fehler begründen und korrigieren.
- Spektralanalyse: Recherchiere, wie Linienspektren entstehen, und verbinde Deine Erklärung mit Energieübergängen im Atom.
- Grenzen von Atommodellen: Schreibe einen begründeten Text darüber, warum das Schalenmodell nützlich, aber nicht vollständig ist.
- Unterrichtsprojekt: Plane eine Lernstation mit Modellbau, Periodensystem, Ionenbildung und Selbstkontrolle für Deine Klasse.
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Lernkontrolle
- Elektronenverteilung begründen: Erkläre, wie Du aus der Ordnungszahl und der Stellung im Periodensystem das Schalenmodell von Magnesium entwickelst.
- Reaktivität vergleichen: Vergleiche Natrium, Neon und Chlor anhand ihrer Valenzelektronen und leite Unterschiede im chemischen Verhalten ab.
- Ionen vorhersagen: Begründe, welche Ionen Magnesium und Sauerstoff wahrscheinlich bilden und welche Elektronenverteilung danach vorliegt.
- Modellkritik: Beurteile die Aussage: Elektronen kreisen auf festen Bahnen wie Planeten um den Atomkern.
- Transfer auf unbekannte Elemente: Ein Hauptgruppenelement besitzt drei Schalen und zwei Valenzelektronen. Leite seine Stellung im Periodensystem und sein wahrscheinliches Ionenverhalten ab.
- Spektrum erklären: Erkläre den Zusammenhang zwischen Energieaufnahme, Elektronenübergang und Lichtabgabe mit eigenen Worten.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du
- Atomkern, Atomhülle und die drei wichtigsten Teilchen korrekt beschreibst,
- Elektronen mit Hilfe der Ordnungszahl auf Schalen verteilst,
- Periode, Hauptgruppe und Valenzelektronen miteinander verknüpfst,
- einfache Kationen und Anionen aus Elektronenübertragungen ableitest,
- die Edelgaskonfiguration an Beispielen erklärst,
- Stärken und Grenzen des Schalenmodells beurteilst,
- Deine Zeichnungen fachsprachlich beschriftest und Deine Entscheidungen begründest.
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