Elektronen

Die drei Elementarteilchen – Bausteine der Atome

Atome bestehen aus genau drei verschiedenen Bausteinen. Fahre mit der Maus über die Kugeln (oder tippe sie an), um mehr zu erfahren:

↑ Mit der Maus über die Kugeln fahren (oder antippen)

Übersichtstabelle der Elementarteilchen

Ordnungszahl und Massenzahl

Die Ordnungszahl (auch: Kernladungszahl) gibt die Anzahl der Protonen im Atomkern an. Sie bestimmt die Stellung des Elements im Periodensystem. Im neutralen Atom gilt immer: Protonenzahl = Elektronenzahl.

Die Massenzahl ist die Summe aus Protonen und Neutronen:

Massenzahl = Anzahl der Protonen + Anzahl der Neutronen

Gesamtladung eines Teilchens berechnen

Die Gesamtladung ergibt sich durch einfaches Addieren aller Einzelladungen. Protonen (+1) und Elektronen (−1) werden gezählt, Neutronen (0) fallen dabei heraus.

Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen

Häufige Fragen – Elementarteilchen

Lernkarten – Elementarteilchen

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Weiter im Kapitel – Vom Atombau bis ZMK

← Kapitelübersicht → Atommodelle: Demokrit und Dalton

🔁 Grundlagen: Atommodell nach Dalton (Kl. 8)

Elektrische Anziehungskräfte im Atom

Sehr vereinfacht können wir sagen, dass jede Anziehungskraft der Chemie auf der Anziehung zwischen positiver und negativer Ladung beruht.

Kurz:  Plus + Minus ziehen sich an; gleiche Ladungen stoßen sich ab.

Aufbau des Atoms: Atomkern und Elektronenhülle

Atome bestehen aus:

1. einem sehr kleinen, positiv geladenen Kern
2. einer negativen, kugelförmigen Elektronenhülle
3. Elektronen, die sich mit hoher Geschwindigkeit um den Kern bewegen

Ein Atommodell, das zwischen Atomkern und Elektronenhülle unterscheidet, wird als Kern-Hülle-Modell bezeichnet.

Vereinfachtes Kern-Hülle-Modell eines Atoms (nicht maßstabsgerecht)

Größenverhältnis: Atomkern und Atomhülle

⚠️ Wichtig: Der Durchmesser der Atomhülle ist etwa 10 000-mal größer als der Durchmesser des Atomkerns. Die Hülle ist kein fester Bereich – es ist nur der Bereich, in dem sich die Elektronen aufhalten.

Wenn der Atomkern so groß wie eine Kirsche wäre, hätte das gesamte Atom einen Durchmesser von etwa einem Fußballfeld.

2.3.1 Der Atomkern – Elementarteilchen und Schreibweise

Die Teilchen, aus denen ein Atom besteht, bezeichnet man als Elementarteilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen.

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Aus dem Tafelbild ergeben sich folgende Definitionen:

1. Der Atomkern ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut.
2. Die Protonenzahl stimmt mit der Ordnungszahl eines Elements und der Kernladungszahl überein.
   Beispiel: Fluor = ₉F: 9 Protonen → Ordnungszahl = Kernladungszahl = 9, Elektronenanzahl = 9.
3. Nukleonenzahl = Anzahl der Protonen + Anzahl der Neutronen im Atomkern.
   Beispiel: ¹⁹F: Nukleonenzahl = 19 → 9 Protonen und 10 Neutronen.
4. Massenzahl: Die Atommasse ist angenähert die Summe der Protonen- und Neutronenmasse. Die Masse der Elektronen ist außerordentlich klein.

Übungsaufgabe: Elementarteilchen

Kannst du die Tabelle selbst ausfüllen? Klicke dann auf „Lösung anzeigen".

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Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen

Häufige Fragen – Kern-Hülle-Modell und Elementarteilchen

Lernkarten – Kern-Hülle-Modell und Elementarteilchen

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← 2.2 Atommodelle: Demokrit und Dalton 2.4 Bohrsches Schalenmodell →

🔁 Grundlagen (Kl. 8): Atommodell nach Dalton – Kugelteilchenmodell

⏩ Weiterführend: 2.5 Das Kugelwolkenmodell (KWM) · PSE Teil I

Niels Bohrs Schalenmodell

Niels Bohrs Modell beschreibt das Atom aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen, die auf ganz bestimmten konzentrischen Bahnen den Kern umkreisen (ähnlich wie die Planeten die Sonne umkreisen).

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Energieniveaus und Elektronenschalen

Die Begriffe Schale und Energiestufe beschreiben dasselbe: den Bereich, in dem sich Elektronen mit einer bestimmten Energie bewegen. Elektronen auf der M-Schale besitzen eine höhere Energie als solche auf der L-Schale, da sie weiter vom Kern entfernt sind.

👆 Tipp: Die interaktive Übersicht direkt darunter zeigt die Schalenbesetzung für alle Elemente der 1.–3. Periode – hover einfach über ein Element im PSE!

2. Postulat – Maximale Elektronenzahl pro Schale

⚠️ Wichtig: Das bedeutet nur, dass so viele Elektronen maximal in diese Schale passen. Natürlich können jederzeit weniger Elektronen vorhanden sein!

Quantentheorie: Absorption und Emission von Licht

Absorption: Elektron springt in höhere Schale · Emission: Rücksprung mit Lichtabgabe (≈ 10⁻⁸ s)

Übungsaufgaben

Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen

Häufige Fragen – Bohrsches Schalenmodell

Lernkarten – Bohrsches Schalenmodell

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← 2.3 Rutherford: Kern-Hülle-Modell 2.5 Kugelwolkenmodell →

⏩ Weiterführend: 2.6 PSE und die Atommodelle · 2.5 Kugelwolkenmodell (KWM)

Das Kugelwolkenmodell – eine Weiterentwicklung des Bohr-Modells

Das Bohrsche Atommodell kann schon viel erklären; allerdings gibt es ein weiteres Atommodell, in dem die Elektronen in bestimmten gedachten Aufenthaltswahrscheinlichkeitsräumen betrachtet werden. Das sind keine echten Räume, sondern Bereiche, in denen sich mit hoher Wahrscheinlichkeit gerade ein Elektron – maximal zwei – aufhält. Es könnte sich auch gerade außerhalb dieses Bereichs bewegen, allerdings mit geringerer Wahrscheinlichkeit.

So einfach, wie Niels Bohr sich das vorgestellt hatte, war es allerdings nicht mit der Verteilung der Elektronen innerhalb einer Schale. Es gibt bestimmte Bereiche, in denen sich die Elektronen mit größerer Wahrscheinlichkeit aufhalten – sogenannte Kugelwolken.

🖱️ Interaktives Diagramm → Klicke auf einen Bereich für eine Erläuterung · Mobilgerät: Tippen

Vergleich: Schalenmodell vs. Kugelwolkenmodell am Beispiel Sauerstoff (Z = 8)

Kugelwolke einfach besetzt (1 Elektron) Kugelwolke doppelt besetzt (2 Elektronen) Elektron

🔴 Atomkern (Schalenmodell) Der Kern des Sauerstoffs trägt die Ladung 8+ (8 Protonen). Im Schalenmodell nach Bohr umkreisen die Elektronen den Kern auf festen Bahnen – wie Planeten die Sonne. Im Kugelwolkenmodell bleibt der Kern unverändert, aber die Elektronen befinden sich nicht mehr auf Bahnen, sondern in Wahrscheinlichkeitsbereichen.

⚪ K-Schale (Schalenmodell) Die K-Schale ist die innerste Elektronenschale. Beim Sauerstoff enthält sie 2 Elektronen. Im Kugelwolkenmodell entspricht ihr eine einzige rote Kugelwolke direkt am Kern (doppelt besetzt). Die K-Schale fasst maximal 2 Elektronen (→ Pauli-Prinzip).

⚪ L-Schale (Schalenmodell) Die L-Schale ist die zweite Elektronenschale. Beim Sauerstoff enthält sie 6 Elektronen, gleichmäßig auf der Kreisbahn verteilt. Im Kugelwolkenmodell werden diese 6 Elektronen auf 4 Kugelwolken verteilt: 2 doppelt besetzte (rot) und 2 einfach besetzte (grün).

🔴 Atomkern (Kugelwolkenmodell) Auch im Kugelwolkenmodell bleibt der Atomkern mit der Ladung 8+ unveränderter Mittelpunkt. Die Kugelwolken sind um ihn herum angeordnet. Je näher eine Kugelwolke am Kern liegt, desto energieärmer ist sie (K-Schale < L-Schale).

● Kugelwolke der K-Schale (doppelt besetzt) Die Kugelwolke der K-Schale liegt direkt am Kern und ist rot = doppelt besetzt – sie enthält beide K-Elektronen (2e). In der K-Schale gibt es nur eine einzige Kugelwolke. Maximal 2 Elektronen passen hinein (→ Pauli-Prinzip).

● Kugelwolke der L-Schale – einfach besetzt Grüne Kugelwolken sind einfach besetzt – sie enthalten genau 1 Elektron. Beim Sauerstoff gibt es in der L-Schale 2 einfach besetzte Kugelwolken. Dies folgt aus der Regel von Hund: Energiegleiche Kugelwolken werden zuerst einzeln besetzt.

● Kugelwolke der L-Schale – doppelt besetzt Rote Kugelwolken sind doppelt besetzt – sie enthalten 2 Elektronen. Beim Sauerstoff gibt es in der L-Schale 2 doppelt besetzte Kugelwolken. Die Doppelbesetzung tritt erst auf, wenn alle energiegleichen Kugelwolken mindestens 1 Elektron haben (→ Regel von Hund).

💡 Nochmals klicken schließt die Erläuterung.

Das Kugelwolkenmodell ähnelt einem Tetraeder

Das Kugelwolkenmodell ist ein stark vereinfachtes Orbitalmodell. Da die Elektronen sich in bestimmten Bereichen aufhalten, den sogenannten Orbitalen, sind diese negativ geladen und stoßen sich somit ab. Um den größtmöglichen Abstand zu erhalten, ergeben diese vier Kugelwolken eine Art Tetraeder. Das soll die folgende Animation eines Sauerstoffmodells zeigen.

Vereinfachte Darstellung der Kugelwolken

Da die räumliche Anordnung der Kugelwolken (Tetraeder-Struktur, 109,47°-Winkel) schwer darstellbar ist, wird im Unterricht eine vereinfachte, ebene Darstellung verwendet. Die Abbildung unten zeigt links die räumliche Ansicht und rechts die vereinfachte Darstellung. Beachte: Die räumliche Anordnung der Orbitale sieht in Wirklichkeit anders aus als die ebene Vereinfachung.

🖱️ Interaktives Diagramm – Vereinfachte Darstellung → Klicke auf eine Kugelwolke für eine Erläuterung

Sauerstoff (Z = 8): räumliche Darstellung (links) und vereinfachte Darstellung (rechts)

einfach besetztes Orbital (1 Elektron) doppelt besetztes Orbital (2 Elektronen) Elektron

🔴 Atomkern (räumliche Darstellung) Der Kern des Sauerstoffs trägt die Ladung 8+. In der räumlichen Darstellung ist gut zu sehen, wie die vier L-Kugelwolken den Kern tetraedrisch umgeben – der Winkel zwischen je zwei Kugelwolken beträgt 109,47° (Tetraeder-Winkel). Dieser maximale Abstand entsteht, weil sich die negativ geladenen Kugelwolken gegenseitig abstoßen.

● K-Schalen-Kugelwolke (räumlich, doppelt besetzt) Die kleine rote Kugelwolke direkt am Kern gehört zur K-Schale (1s²). Sie ist doppelt besetzt (2 Elektronen) und liegt energetisch am tiefsten. In der räumlichen Darstellung ist gut zu sehen, wie sie sich vom Kern kaum abhebt – sie ist sehr klein im Vergleich zu den L-Kugelwolken.

● Einfach besetztes Orbital (räumlich, 1 Elektron) Grüne Kugelwolken enthalten jeweils 1 Elektron. Beim Sauerstoff gibt es zwei einfach besetzte Kugelwolken in der L-Schale. In der räumlichen Darstellung sieht man ihre tetraedrische Anordnung: Sie stehen im größtmöglichen Winkelabstand zu allen anderen Kugelwolken.

● Doppelt besetztes Orbital (räumlich, 2 Elektronen) Rote Kugelwolken enthalten jeweils 2 Elektronen. Beim Sauerstoff gibt es zwei doppelt besetzte Kugelwolken in der L-Schale (2s² und 2px²). In der räumlichen Ansicht sind sie gut von den grünen einfach besetzten Kugelwolken zu unterscheiden.

🔴 Atomkern (vereinfachte Darstellung) In der vereinfachten Darstellung liegt der Kern 8+ in der Mitte. Die vier L-Kugelwolken sind hier in einer ebenen Anordnung (oben, unten, links, rechts) dargestellt – in Wirklichkeit sind sie tetraedrisch (räumlich) angeordnet. Die vereinfachte Darstellung erleichtert das Zeichnen im Unterricht.

● K-Schalen-Kugelwolke (vereinfacht, doppelt besetzt) Die kleine rote Kugelwolke um den Kern gehört zur K-Schale. Sie ist doppelt besetzt (2 Elektronen, 1s²). In der vereinfachten Darstellung wird sie als kleiner Kreis direkt am Kern gezeigt – wie in der räumlichen Darstellung auch.

● Einfach besetztes Orbital (vereinfacht, 1 Elektron) Grüne Kugelwolken = einfach besetzt (1 Elektron). In der vereinfachten Darstellung sind sie oben und links gezeichnet. Achtung: Diese ebene Anordnung ist eine Vereinfachung – räumlich stehen alle vier L-Kugelwolken im Tetraeder-Winkel (109,47°) zueinander!

● Doppelt besetztes Orbital (vereinfacht, 2 Elektronen) Rote Kugelwolken = doppelt besetzt (2 Elektronen). In der vereinfachten Darstellung sind sie unten und rechts gezeichnet. Diese Anordnung zeigt die Besetzungsunterschiede (grün vs. rot) auf einen Blick – auch wenn die räumliche Realität eine tetraedrische Anordnung ist.

💡 Nochmals klicken schließt die Erläuterung.

2.5.1 Feinstruktur der Elektronenhülle

Im Kugelwolkenmodell gelten drei grundlegende Prinzipien, die erklären, wie Elektronen auf die Kugelwolken verteilt werden:

Das Kugelwolkenmodell ist ein vereinfachtes Orbitalmodell und gilt nur für Hauptgruppenelemente.

🖱️ Interaktiv – Pauli-Prinzip → Finde den Fehler im rechten Modell und klicke darauf

🔍 Aufgabe: Das rechte Modell zeigt eine Verletzung des Pauli-Prinzips. Finde das falsche Orbital und klicke darauf! (Tipp: Eines der Orbitale hat zu viele Elektronen.)

✅ Dieses Orbital ist korrekt besetzt Dieses Orbital enthält maximal 2 Elektronen – das entspricht dem Pauli-Prinzip. Suche weiter: Das falsche Orbital befindet sich im rechten Modell (falsch, nach Pauli-Prinzip).

✅ Dieses Orbital ist korrekt besetzt Auch dieses Orbital im rechten Modell ist korrekt (max. 2 Elektronen). Der Fehler liegt woanders – schau dir alle Orbitale des rechten Modells genau an!

🎉 Du hast den Fehler gefunden! Dieses Orbital enthält 3 Elektronen – das ist nach dem Pauli-Prinzip unmöglich!

Pauli-Prinzip: In einer Kugelwolke (= Orbital) können sich maximal 2 Elektronen aufhalten. Diese müssen sich außerdem in ihrer Quanteneigenschaft (dem Spin) voneinander unterscheiden (+½ und −½). Ein drittes Elektron wird vom Orbital „abgewiesen" – es muss in ein anderes Orbital wechseln.

💡 Klicke nochmals auf ein Orbital, um die Erläuterung zu schließen.

🖱️ Interaktiv – Hundsche Regel → Finde den Fehler im rechten Modell und klicke darauf

🔍 Aufgabe: Das rechte Modell zeigt eine Verletzung der Regel von Hund. Finde das falsch besetzte Orbital und klicke darauf! (Tipp: Energiegleiche Orbitale sollten zuerst einzeln besetzt werden.)

✅ Dieses Orbital ist korrekt besetzt – Regel von Hund eingehalten Im linken Modell sind die Orbitale korrekt nach der Regel von Hund besetzt: Energiegleiche Orbitale werden zunächst einzeln mit Elektronen besetzt, bevor eine Doppelbesetzung stattfindet. Das Suchergebnis liegt im rechten Modell – klicke dort auf ein Orbital!

🎉 Du hast den Fehler gefunden! Im rechten Modell sind alle Orbitale doppelt besetzt (rot) – obwohl noch ein viertes Orbital leer wäre. Das verstößt gegen die Regel von Hund!

Regel von Hund: Energiegleiche Orbitale (z. B. die drei 2p-Orbitale der L-Schale) werden zunächst einzeln mit einem Elektron besetzt, bevor ein zweites Elektron hinzukommt. Grund: Zwei Elektronen im selben Orbital stoßen sich durch ihre negative Ladung stärker ab – es ist energetisch günstiger, wenn sie verschiedene Orbitale besetzen.

💡 Klicke nochmals, um die Erläuterung zu schließen.

Das KWM der ersten 10 Elemente

Durch Pauli-Prinzip und Regel von Hund ergeben sich folgende Kugelwolkenmodelle für die ersten 10 Elemente. Grün = einfach besetzt · Rot = doppelt besetzt:

↑ Zum Vergrößern klicken

Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen

Häufige Fragen – Kugelwolkenmodell

Lernkarten – Kugelwolkenmodell

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Weiter im Kapitel: Atombau und PSE

← 2.4 Bohr-Schalenmodell → 2.6 PSE und Atommodelle → 2.7 Lewis-Formeln

🔁 Grundlagen: Rutherford-Modell · Bohr-Schalenmodell · Periodensystem (PSE)

Das Periodensystem der Elemente (PSE)

Periodensystem – Nur Hauptgruppenelemente

↑ Zum Vergrößern klicken · Farben: Alkalimetalle Erdalkalimetalle Metalloide Nichtmetalle Halogene Edelgase

Das Periodensystem der Elemente ist eine große Hilfe, um Voraussagen bezüglich chemischer Reaktionen zu treffen und Eigenschaften zu benennen. Man muss es nicht auswendig lernen – wichtig ist, es lesen zu können.

Ursprünglich wurden die Elemente nach steigender Atommasse geordnet. Heute erfolgt die Anordnung nach der Ordnungszahl (= Kernladungszahl = Anzahl der Protonen) und nach periodisch wiederkehrenden Ähnlichkeiten in den Eigenschaften.

Ordnungsprinzipien

1. Reihenfolge: Die Elemente sind nach steigender Ordnungszahl (Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen) angeordnet.
2. Periode (= Zeile): Die Periodennummer gibt die Anzahl der Elektronenschalen an.
   Beispiel: H, He → 1 Schale · Li…Ne → 2 Schalen · Na…Ar → 3 Schalen
3. Gruppe (= Spalte): Elemente mit gleicher Anzahl an Außenelektronen (Valenzelektronen) stehen in einer Gruppe.

↑ PSE-Symbol-Erklärung – zum Vergrößern klicken

Bedeutung des PSE

1. Voraussage damals unbekannter Elemente (z. B. Germanium – von Mendeleev 1871 vorausgesagt, 1886 entdeckt).
2. Ablesen von physikalischen und chemischen Eigenschaften aus der Stellung im PSE.
3. Das Kurzperiodensystem enthält nur die Hauptgruppenelemente.

Was bedeuten die Felder eines PSE-Eintrags?

Klicke auf ein farbiges Feld der Elementbox, um zu erfahren, was es bedeutet. Beispiel: Aluminium (Al, Z = 13)

Elementarteilchen aus dem PSE ablesen

Mit Hilfe des PSE können wir sehr schnell die Anzahl der einzelnen Elementarteilchen bestimmen. Wichtig ist dabei: Im PSE sind die Elemente immer so notiert, dass sie elektrisch neutral sind.

Übungen: Elementarteilchen aus dem PSE ablesen

Überlege zunächst selbst, dann klappe die Lösung auf.

Perioden = Anzahl der Elektronenschalen

Niels Bohr zeigte, dass sich die Elektronen auf unterschiedliche Energieniveaus (= „Schalen") verteilen. Diese Anzahl der Schalen findest du auch im PSE wieder – nämlich in der Angabe der Zeile (= Reihe = Periode).

🔑 Merke: Die Periodennummer im PSE = die Anzahl der besetzten Elektronenschalen des Atoms.

Übungen: Perioden und Elektronenschalen

Haupt- und Nebengruppenelemente

Im PSE unterscheidet man zwei Typen von Elementen:

Hauptgruppen-Namen: I. HG: Alkalimetalle · II. HG: Erdalkalimetalle · III. HG: Borgruppe · IV. HG: Kohlenstoffgruppe · V. HG: Stickstoffgruppe · VI. HG: Chalkogene (Erzbildner) · VII. HG: Halogene (Salzbildner) · VIII. HG: Edelgase

⚠️ Metallischer vs. nichtmetallischer Charakter: Metallischer Charakter nimmt nach links unten zu · Nichtmetallischer Charakter nimmt nach rechts oben zu · Halbmetalle stehen diagonal dazwischen.

Valenzelektronen und Hauptgruppennummer

Innerhalb einer Hauptgruppe stehen häufig chemisch sich ähnelnde Elemente. Für die chemischen Eigenschaften sind vor allem die Außenelektronen (= Valenzelektronen) verantwortlich.

Die Hauptgruppennummer (gelb unterlegt im PSE) gibt die Anzahl der Valenzelektronen wieder. „Chemie ist die Physik der Valenzelektronen!"

🔑 Merke: H ist in der 1. HG → 1 Valenzelektron · O ist in der 6. HG (VIA) → 6 Außenelektronen · Edelgase haben 8 Valenzelektronen (He: 2) → besonders stabil (→ Edelgasregel)

Übungen: Valenzelektronen und Hauptgruppenelemente

Für diese Übungen benötigst du das PSE. Bei Klassenarbeiten (und im Abitur) darf es verwendet werden.

Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen

Häufige Fragen – PSE und Atombau

Lernkarten – PSE und Atombau

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Weiter im Kapitel: Atombau und PSE

← 2.5 Kugelwolkenmodell → 2.7 Lewis-Formeln → 3. Edelgasregel

🔁 Grundlagen: Rutherford · Bohr-Schalenmodell · Kugelwolkenmodell · PSE herunterladen

4.2 Atomradien

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Atomradien - Atomgröße

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Folgende Abbildung zeigt, wie der Zusammenhang der Atomradien und das PSE ist. 

Überlegt Euch die Erklärungen dafür, dass die Atomradien von oben nach unten und von rechts nach links zunehmen. 

Innerhalb einer Hauptgruppe:

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Atomradien nehmen von oben nach unten zu, da die Anzahl der Schalen zunimmt.

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Innerhalb einer Periode:

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Atomradien nehmen von links nach rechts ab. Da die Anzahl der Protonen steigt, werden die Elektronen stärker vom Atomkern angezogen.
Diese Anziehung überwiegt die Abstoßung der Elektronen untereinander.

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