2.6: Anordnungen von Elektronen

Obwohl wir die allgemeine Anordnung der subatomaren Teilchen in den Atomen besprochen haben, haben wir wenig darüber gesagt, wie die Elektronen den Raum um den Kern herum einnehmen. Bewegen sie sich zufällig um den Kern, oder existieren sie in einer geordneten Anordnung?

Die moderne Theorie des Verhaltens von Elektronen wird Quantenmechanik genannt. Sie macht folgende Aussagen über Elektronen in Atomen:

• Elektronen in Atomen können nur bestimmte Energien haben. Man sagt, dass die Energien der Elektronen gequantelt sind.
• Elektronen sind entsprechend ihrer Energien in Gruppen organisiert, die man Schalen nennt. Generell gilt, je höher die Energie einer Schale ist, desto weiter ist sie (im Durchschnitt) vom Kern entfernt. Schalen haben keine spezifischen, festen Abstände vom Kern, aber ein Elektron in einer Schale mit höherer Energie verbringt mehr Zeit in größerer Entfernung vom Kern als ein Elektron in einer Schale mit niedrigerer Energie.
• Schalen sind weiter in Untergruppen von Elektronen unterteilt, die Unterschalen genannt werden. Die erste Schale hat nur eine Unterschale, die zweite Schale hat zwei Unterschalen, die dritte Schale hat drei Unterschalen, und so weiter. Die Unterschalen jeder Schale werden der Reihe nach mit den Buchstaben s, p, d und f bezeichnet. So hat die erste Schale nur eine s-Unterschale, die zweite Schale hat eine s- und eine p-Unterschale, die dritte Schale hat s-, p- und d-Unterschalen und so weiter.
• Die verschiedenen Unterschalen halten eine unterschiedliche maximale Anzahl von Elektronen. Jede s-Unterschale kann bis zu 2 Elektronen aufnehmen, die p-Oberschale bis zu 6 Elektronen, die d-Unterschale bis zu 10 und die f-Unterschale bis zu 14.

Es ist die Anordnung der Elektronen in den Schalen, die den größten Einfluss auf die chemischen Eigenschaften hat, daher werden wir uns hier hauptsächlich auf die Schalen konzentrieren.

Wir verwenden Zahlen, um anzuzeigen, in welcher Schale sich ein Elektron befindet. Die erste Schale, die dem Kern am nächsten liegt und in der sich die energieärmsten Elektronen befinden, ist die Schale 1. Diese erste Schale hat nur eine Unterschale (mit 1s bezeichnet) und kann maximal 2 Elektronen aufnehmen. Deshalb gibt es zwei Elemente in der ersten Reihe des Periodensystems (H & He).

Da die erste Schale nur maximal 2 Elektronen aufnehmen kann, muss das dritte Elektron in die zweite Schale gehen. Daher wird das Lithium (Li), das insgesamt drei Elektronen hat, zwei Elektronen in der ersten Schale und ein Elektron in der zweiten Schale haben. Beachten Sie, dass Lithium das erste Element in der zweiten Reihe des Periodensystems ist.

Die zweite Schale hat zwei Unterschalen (beschriftet mit 2s und 2p). Die 2s-Unterschale kann maximal 2 Elektronen aufnehmen, die 2p-Unterschale maximal 6 Elektronen. Dies bedeutet, dass die zweite Schale maximal acht Elektronen aufnehmen kann (2+6=8). Beachten Sie, dass es acht Elemente in der zweiten Reihe des Periodensystems gibt.

Es sind nur die Elektronen in der äußersten Schale, der sogenannten VALENCE-Schale, die dazu neigen, zu reagieren (gewonnen, verloren oder geteilt zu werden). Man kann sich vorstellen, dass, wenn zwei Atome aufeinander stoßen, die Außenelektronen als erstes reagieren würden. Es folgt eine Liste der Gesamtelektronen, Elektronen nach Schale und Valenzelektronen für die ersten 10 Elemente.

1. Wasserstoff hat 1 Elektron in der ersten Schale (also ein Valenzelektron).
2. Helium hat 2 Elektronen — beide in der ersten Schale (also zwei Valenzelektronen).
3. Lithium hat 3 Elektronen — 2 in der ersten Schale, und 1 in der zweiten Schale (also ein Valenzelektron).
4. Beryllim hat 4 Elektronen — 2 in der ersten Schale, und 2 in der zweiten Schale (also zwei Valenzelektronen).
5. Bor hat 5 Elektronen — 2 in der ersten Schale, und 3 in der zweiten Schale (also drei Valenzelektronen).
6. Kohlenstoff hat 6 Elektronen — 2 in der ersten Schale, und 4 in der zweiten Schale (also vier Valenzelektronen).
7. Stickstoff hat 7 Elektronen — 2 in der ersten Schale, und 5 in der zweiten Schale (also fünf Valenzelektronen).
8. Sauerstoff hat 8 Elektronen — 2 in der ersten Schale, und 6 in der zweiten Schale (also sechs Valenzelektronen).
9. Fluor hat 9 Elektronen — 2 in der ersten Schale, und 7 in der zweiten Schale (also sieben Valenzelektronen).
10. Neon hat 10 Elektronen — 2 in der ersten Schale, und 8 in der zweiten Schale (also acht Valenzelektronen).

In der folgenden Abbildung 2.6.1 ist die Ordnungszahl für die Hauptgruppenelemente aufgelistet. Die Ordnungszahl gibt die Anzahl der Protonen im Kern eines jeden Atoms an. Bei neutralen Atomen ist die Anzahl der positiven Protonen gleich der Gesamtzahl der negativen Elektronen (Nettoladung Null). Zum Beispiel hat Brom (Br) 35 Protonen und 35 Gesamtelektronen. Im Periodensystem wird immer die Ordnungszahl angegeben.

Abbildung 2.6.1 – Ordnungszahl für jedes der Hauptgruppenelemente

Die Anzahl der Valenzelektronen für jedes Hauptgruppenelement kann durch die Spalte oder Gruppe bestimmt werden, die es im Periodensystem einnimmt. Tabelle 2.6.2 unten fasst die Anzahl der Valenzelektronen für jede Hauptgruppenspalte der Elemente zusammen. Zum Beispiel haben die Elemente in der ersten Spalte (manchmal als IA bezeichnet), alle ein Valenzelektron. Die zweite Spalte (IIA) hat zwei Valenzelektronen. Wir lassen den kurzen Block von zehn Elementen in der Mitte aus, weil hier eine Unterschale außer der Reihe aufgefüllt wird. Die Elemente in den Spalten IIIA, IVA, VA, VIA und VIIA sowie VIIIA* haben jeweils drei, vier, fünf, sechs, sieben und acht* Valenzelektronen.

*Beachten Sie, dass Helium (He) nur zwei Valenzelektronen hat. Einige Periodensysteme platzieren Helium in Spalte IIA, andere in VIIIA, und einige in beiden Positionen.

Abbildung 2.6.2 – Anzahl der Valenzelektronen für Hauptgruppenelemente

Die Anzahl der Elektronen in jeder Schale wird komplizierter, je mehr Elektronen hinzugefügt werden, weil mehr Unterschalen verwendet werden und weil die Schalen anfangen, sich ungeordnet zu füllen. Für Elemente mit einer größeren Ordnungszahl als 20 (jenseits von Calcium) werden wir uns nur darauf konzentrieren, wie viele Gesamt- und wie viele Valenzelektronen, nicht die Anzahl in jeder Schale. Wir haben festgestellt, dass die Elektronen der äußeren Schale als Valenzelektronen bezeichnet werden. Die inneren (Nicht-Valenz-) Schalen und Elektronen werden oft als Kern bezeichnet.