Elektronenschalen

Neon, Argon und Helium reagieren mit fast nichts. Der Grund ist, wie ihre Elektronen angeordnet sind.

Im einfachen Schalenmodell füllen Elektronen Schalen um den Kern. Bei den ersten 20 Elementen fassen die Schalen 2, dann 8, dann 8, dann den Rest. Echte Elektronen bewegen sich nicht auf sauberen Kreisen, aber das Modell sagt viel Chemie richtig voraus. Niels Bohr führte 1913 die Idee fester Energieniveaus ein, und Chemiker erklären mit diesem Bild bis heute, warum Elemente so reagieren, wie sie reagieren.

Die Schalen füllen

Elektronen kommen zuerst in die innerste Schale, weil sie dort am stärksten gebunden sind. Wasserstoff hat 1 Elektron und Helium 2, damit ist die erste Schale voll. Lithium mit 3 Elektronen muss eine zweite Schale beginnen: 2, 1. Die zweite Schale ist bei Neon voll, mit 2, 8. Natrium beginnt die dritte Schale, und Argon füllt sie mit 2, 8, 8 auf 8. Kalium und Calcium setzen ihre letzten Elektronen dann in eine vierte Schale.

Bei schwereren Atomen können äußere Schalen mehr als 8 fassen. Die allgemeine Grenze für die Schale Nummer n ist 2 × n × n, also 2, 8, 18 und 32. Bei den ersten 20 Elementen hört die dritte Schale aber bei 8 auf, bevor die vierte beginnt, und mehr brauchst du für diesen Kurs nicht.

Die Außenschale

Die Elektronen in der äußersten Schale sind die, die an Reaktionen teilnehmen. Ein Atom mit voller Außenschale wie Neon (2, 8) ist stabil. Natrium (2, 8, 1) gibt sein einziges Außenelektron leicht ab, und Chlor (2, 8, 7) nimmt leicht eines auf. Deshalb verbinden sich die beiden zu Kochsalz, Natriumchlorid: Das Natrium wird zu einem +1-Ion, das Chlor zu einem −1-Ion, und die entgegengesetzten Ladungen halten sie zusammen.

Mit derselben Idee lässt sich die Ladung vieler Ionen vorhersagen. Ein Atom mit einem, zwei oder drei Außenelektronen gibt sie gern ab und behält die volle Schale darunter. Magnesium (2, 8, 2) gibt zwei ab und wird zu Mg²⁺. Ein Atom, dem ein oder zwei Elektronen zur vollen Schale fehlen, nimmt sie gern auf. Sauerstoff (2, 6) nimmt zwei auf und wird zu O²⁻, Chlor nimmt eines auf und wird zu Cl⁻. Zähl die Außenelektronen, und du kannst die Ladung meist erraten, bevor du sie nachschlägst.

Schalen und das Periodensystem

Das Schalenmodell erklärt den Aufbau des Periodensystems. Jede Zeile, Periode genannt, beginnt eine neue Schale: Wasserstoff und Helium in Zeile 1 nutzen eine Schale, Lithium bis Neon in Zeile 2 zwei, Natrium bis Argon in Zeile 3 drei. Elemente in derselben Spalte, einer Gruppe, haben gleich viele Außenelektronen und verhalten sich deshalb ähnlich. Lithium, Natrium und Kalium haben je ein Außenelektron, und alle drei reagieren heftig mit Wasser. Helium, Neon und Argon stehen in der letzten Spalte mit vollen Außenschalen. Sie sind die Edelgase, die kaum reagieren.