Schalenmodell: Elektronenschalen und Orbitale einfach erklärt

Im Schalenmodell liegen die Elektronen eines Atoms auf Schalen um den Kern, die erste fasst 2, die zweite 8 Elektronen. Damit erklärst du den Aufbau des Periodensystems, die Ionen und im Gymnasium den Schritt zu den Orbitalen.

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2. Sek - 2. Jahr Gymnasium
Zyklus 3, Gymnasium
Lehrplan 21: NT.3.2.d

Zwei Jugendliche bauen im Chemiezimmer ein grosses Atommodell mit einem Kern in der Mitte und mehreren Ringen, auf denen kleine Kugeln sitzen.

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Das musst du wissen

Erklärung

Im Schalenmodell liegen die eines auf Schalen um den Kern. Die erste Schale fasst höchstens 2, die zweite höchstens 8 Elektronen. Am Schluss schreibst du die Verteilung auf, etwa 2, 8, 1 für Natrium.

Elektronen auf Schalen

Im Schalenmodell sitzen die Elektronen auf Elektronenschalen um den Kern. Die Schalen heissen von innen nach aussen K, L, M, N oder 1. bis 4. Schale.

Innen zieht der Kern die Elektronen am stärksten an, dort haben sie am wenigsten Energie. Je weiter aussen, desto mehr Energie. Das Modell geht auf Niels Bohr (1913) zurück.

MerkeElektronen füllen die Schalen von innen nach aussen.

Wie viele Elektronen auf eine Schale passen

Auf die n-te Schale passen höchstens 2n² Elektronen:

1. Schale (K): 2·1²=2
1. Schale (L): 2·2²=8
1. Schale (M): 2·3²=18
1. Schale (N): 2·4²=32

MerkeDie n-te Schale fasst höchstens 2n² Elektronen.

Die Regel bis Calcium

Für die ersten 20 , Wasserstoff bis Calcium, gilt: zuerst 2, dann 8, dann 8, der Rest kommt auf die 4. Schale.

Das 19. Elektron des Kaliums kommt also schon auf die vierte Schale: 2, 8, 8, 1. Die dritte Schale füllt sich erst nach Calcium weiter auf, bis 18.

MerkeBis Calcium gilt: 2, dann 8, dann 8, dann der Rest.

Säulendiagramm der Elektronen pro Schale beim Calciumatom: 2 auf der 1. Schale, 8 auf der 2. Schale, 8 auf der 3. Schale und 2 auf der 4. Schale.

Schalenmodell und Periodensystem

Die Nummer der ist die Zahl der besetzten Schalen.
Die Nummer der ist die Zahl der Valenzelektronen, der Elektronen auf der äussersten Schale.

Chlor (2, 8, 7) steht darum in der 3. Periode und in Hauptgruppe VII. Ausnahme Helium: 2 Valenzelektronen, aber bei den , weil seine Schale voll ist.

MerkePeriode = Zahl der Schalen, Hauptgruppe = Zahl der Valenzelektronen.

Volle Aussenschale: Edelgase und Ionen

Edelgase wie Neon (2, 8) haben eine volle äusserste Schale und reagieren fast nie.

Andere Atome erreichen diese Edelgaskonfiguration, indem sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. Dabei werden sie zu , geladenen Teilchen.

Natrium (2, 8, 1) gibt 1 Elektron ab: $N a^{+}$ mit 2, 8.
Chlor (2, 8, 7) nimmt 1 Elektron auf: $C l^{-}$ mit 2, 8, 8.

MerkeMetalle geben Elektronen ab, Nichtmetalle nehmen welche auf.

Im Gymnasium: Ionisierungsenergie

Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die es braucht, um einem Atom ein Elektron wegzunehmen. Die Einheit kJ/mol gilt für eine feste, sehr grosse Zahl Atome.

Bei Magnesium (2, 8, 2) springt sie nach dem 2. Elektron stark an. Das 3. kommt aus einer inneren Schale.

In einer Hauptgruppe sinkt sie nach unten, denn das Valenzelektron sitzt weiter aussen.

Säulendiagramm der Ionisierungsenergien von Magnesium in kJ/mol: 738 für das 1. Elektron, 1'451 für das 2. Elektron und 7'733 für das 3. Elektron.

Im Gymnasium: Orbitale

Im genaueren Orbitalmodell besteht jede Schale aus Unterschalen mit Orbitalen. Ein Orbital ist ein Raum, in dem sich ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält. Es fasst höchstens 2 Elektronen.

s: 1 Orbital, kugelförmig, 2 Elektronen
p: 3 Orbitale, hantelförmig, 6 Elektronen
d: 5 Orbitale, 10 Elektronen
f: 7 Orbitale, 14 Elektronen

Im Gymnasium: Elektronenkonfiguration

Besetzt wird nach steigender Energie: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d. In einer Unterschale bekommt zuerst jedes Orbital ein Elektron, erst dann bilden sich Paare.

Die Elektronenkonfiguration schreibt das kurz auf. Natrium hat $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{1}$ , kurz $[Ne] 3 s^{1}$ .

Schalenmodell und Orbitale: Übersicht mit Elektronen auf Schalen; Wie viele Elektronen auf eine Schale passen; Die Regel bis Calcium; Schalenmodell und Periodensystem; Volle Aussenschale: Edelgase und Ionen. — Schalenmodell und Orbitale auf einen Blick: die wichtigsten Regeln.

Häufige Fehler

✕Auf die dritte Schale passen höchstens 8 Elektronen.
✓Die dritte Schale fasst bis zu 18 Elektronen (2·3²). Bis Calcium liegen dort nur 8, weil danach zuerst die vierte Schale besetzt wird.
✕Kalium mit 19 Elektronen hat die Verteilung 2, 8, 9.
✓Kalium hat 2, 8, 8, 1. Das 19. Elektron kommt schon auf die vierte Schale.
✕Natrium hat 11 Valenzelektronen, weil es 11 Elektronen hat.
✓Valenzelektronen sind nur die Elektronen der äussersten Schale. Natrium (2, 8, 1) hat 1 Valenzelektron.
✕Helium hat 2 Valenzelektronen, also gehört es in Hauptgruppe II.
✓Helium steht bei den Edelgasen in Hauptgruppe VIII. Seine einzige Schale ist mit 2 Elektronen schon voll.

Begriffe zum Nachschlagen

Schalenmodell: Atommodell, in dem die Elektronen auf Schalen um den Kern liegen. Die Schalen füllen sich von innen nach aussen.
Elektronenschale: Eine der Schalen um den Kern (K, L, M, N). Die n-te Schale fasst höchstens 2n² Elektronen.
Valenzelektronen: Die Elektronen auf der äussersten Schale. Sie bestimmen, wie ein Element reagiert.
Periode: Zeile im Periodensystem. Ihre Nummer ist die Zahl der besetzten Schalen.
Hauptgruppe: Spalte im Periodensystem (I bis VIII). Ihre Nummer ist die Zahl der Valenzelektronen.
Edelgaskonfiguration: Volle äusserste Schale wie bei einem Edelgas, meist mit 8 Elektronen, bei Helium mit 2.
Ion: Geladenes Teilchen. Es entsteht, wenn ein Atom Elektronen abgibt oder aufnimmt.
Ionisierungsenergie: Energie, die es braucht, um einem Atom ein Elektron ganz wegzunehmen.
Orbital: Raum um den Kern, in dem sich ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält. Fasst höchstens 2 Elektronen.
Elektronenkonfiguration: Kurzschrift für die Verteilung der Elektronen auf die Orbitale, zum Beispiel $1 s^{2} 2 s^{1}$ für Lithium.

Noch unsicher? Zuerst lernen:Atome: Protonen, Neutronen, Elektronen

So geht's

Beispiele Schritt für Schritt

Beispiel 1Das Schalenmodell von Aluminium

Aluminium hat die 13. Verteile die Elektronen auf die Schalen. In welcher Periode und in welcher Hauptgruppe steht Aluminium?

Säulendiagramm der Elektronen pro Schale beim Aluminiumatom: 2 auf der 1. Schale, 8 auf der 2. Schale und 3 auf der 3. Schale.

Lösung Schritt für Schritt

Ordnungszahl 13 heisst 13 , im neutralen Atom also 13 Elektronen.
Die erste Schale bekommt 2, die zweite 8 Elektronen. Der Rest kommt auf die dritte Schale:13−2−8=3
Die Verteilung lautet also:13=2+8+3
Drei besetzte Schalen heisst 3. Periode. Drei Valenzelektronen heisst Hauptgruppe III.

Aluminium hat die Verteilung 2, 8, 3. Es steht in der 3. Periode und in Hauptgruppe III.

Beispiel 2Der Heliumballon an der Chilbi

Ein Mädchen hält an einer Chilbi stolz einen runden Ballon an einer Schnur, ihr älterer Bruder steht daneben und schaut zum Ballon hoch.

Mia bekommt an der Chilbi in Luzern einen Ballon, der mit Helium gefüllt ist. Ihr Bruder fragt, warum man nicht Wasserstoff nimmt, der wäre noch leichter. Wasserstoff kann aber mit dem Sauerstoff der Luft heftig reagieren und brennen, Helium reagiert fast nie. Erkläre den Unterschied mit dem Schalenmodell.

Lösung Schritt für Schritt

Helium hat die Ordnungszahl 2, also 2 Elektronen. Beide liegen auf der ersten Schale.
Die erste Schale fasst höchstens 2 Elektronen. Beim Helium ist sie also voll: Es hat die Edelgaskonfiguration.
Mit voller Schale will Helium weder Elektronen abgeben noch aufnehmen. Darum reagiert es fast nie.
Wasserstoff hat nur 1 Elektron. Seine erste Schale ist halb leer, darum reagiert es leicht, etwa mit Sauerstoff zu Wasser.

Helium hat mit 2 Elektronen eine volle erste Schale und reagiert darum fast nie. Wasserstoff hat nur 1 Elektron auf derselben Schale und reagiert leicht.

Beispiel 3Weisses Licht am 1. August

Ein Jugendlicher und seine Familie schauen am Abend vom Hügel aus einem hellen, weiss funkelnden Feuerwerk über einer Schweizer Stadt zu.

Jonas schaut am 1. August in Winterthur ein Feuerwerk an. Das grelle weisse Licht kommt von brennendem Metallpulver wie Magnesium. Dabei entsteht Magnesiumoxid, das aus den Ionen $M g^{2 +}$ und $O^{2 -}$ besteht. Magnesium hat die Ordnungszahl 12, Sauerstoff die Ordnungszahl 8. Zeige mit dem Schalenmodell, wie die beiden Ionen entstehen.

Lösung Schritt für Schritt

Magnesium hat 12 Elektronen, verteilt auf 2, 8, 2. Es hat 2 Valenzelektronen.
Magnesium gibt die beiden Valenzelektronen ab. Übrig bleibt 2, 8 wie beim Neon. Mit 12 Protonen und 10 Elektronen ist es zweifach positiv: $Mg \to M g^{2 +} + 2 e^{-}$
Sauerstoff hat 8 Elektronen, verteilt auf 2, 6. Ihm fehlen 2 Elektronen zur vollen Schale.
Sauerstoff nimmt die 2 Elektronen auf. Nun hat es 2, 8 wie Neon und mit 8 Protonen und 10 Elektronen die Ladung 2−: $O + 2 e^{-} \to O^{2 -}$

Magnesium gibt 2 Elektronen ab und wird zu $M g^{2 +}$ (2, 8). Sauerstoff nimmt sie auf und wird zu $O^{2 -}$ (2, 8). Beide haben danach die Edelgaskonfiguration von Neon.

Beispiel 4Gymnasium: die Elektronenkonfiguration von Schwefel

Schwefel hat die Ordnungszahl 16. Schreib die Elektronenkonfiguration auf, auch in der Kurzform. Wie viele ungepaarte Elektronen hat ein Schwefelatom?

Lösung Schritt für Schritt

Fülle die Unterschalen nach steigender Energie, bis 16 Elektronen verteilt sind: 1s fasst 2, 2s fasst 2, 2p fasst 6, 3s fasst 2. Das sind zusammen 12.2+2+6+2=12
Die restlichen 4 Elektronen kommen in die 3p-Unterschale: $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{4}$
Bis 2p ist alles wie beim Neon. Kurzform: $[Ne] 3 s^{2} 3 p^{4}$
In den drei 3p-Orbitalen bekommt zuerst jedes ein Elektron. Das vierte bildet mit einem davon ein Paar. Zwei Elektronen bleiben allein.

Schwefel hat $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{4}$ , kurz $[Ne] 3 s^{2} 3 p^{4}$ , und 2 ungepaarte Elektronen. Im Schalenmodell entspricht das 2, 8, 6.

Jetzt du

Übungen mit Lösungen

Fang beim Einstieg an. Klapp die Lösung erst auf, wenn du selbst gerechnet hast. Steckst du fest, gibt Fox dir einen Tipp.

Einstieg4Üben5Knacknüsse4

1
Wie viele Elektronen passen höchstens auf die erste und wie viele auf die zweite Schale?
Lösung zeigen
Ergebnis: Erste Schale 2, zweite Schale 8 Elektronen.
Säulendiagramm der höchsten Zahl Elektronen pro Schale: 2 auf der 1. Schale und 8 auf der 2. Schale.
1. Die n-te Schale fasst höchstens 2n² Elektronen.
2. Erste Schale: 2·1²=2. Zweite Schale: 2·2²=8.
2
Kohlenstoff hat die Ordnungszahl 6. Wie verteilen sich seine Elektronen auf die Schalen?
Lösung zeigen
Ergebnis: 2, 4: zwei auf der ersten, vier auf der zweiten Schale.
Säulendiagramm der Elektronen pro Schale beim Kohlenstoffatom: 2 auf der 1. Schale und 4 auf der 2. Schale.
1. 6 Protonen heisst 6 Elektronen.
2. Die erste Schale bekommt 2, für die zweite bleiben 6−2=4.
3
Natrium hat die Ordnungszahl 11. Gib die Verteilung auf die Schalen und die Zahl der Valenzelektronen an.
Lösung zeigen
Ergebnis: 2, 8, 1 und 1 Valenzelektron.
Säulendiagramm der Elektronen pro Schale beim Natriumatom: 2 auf der 1. Schale, 8 auf der 2. Schale und 1 auf der 3. Schale.
1. 11 Elektronen: 2 auf die erste, 8 auf die zweite Schale.
2. Für die dritte Schale bleibt 11−2−8=1.
3. Auf der äussersten Schale liegt 1 Elektron, also 1 Valenzelektron.
4
Auf welcher Schale haben die Elektronen am wenigsten Energie, und warum?
Lösung zeigen
Ergebnis: Auf der innersten Schale (K-Schale), weil sie dem Kern am nächsten liegt und am stärksten angezogen wird.
1. Der Kern ist positiv, die Elektronen sind negativ: Sie ziehen sich an.
2. Je näher am Kern, desto stärker die Anziehung und desto weniger Energie hat das Elektron.

5
Chlor hat die Ordnungszahl 17. Gib die Verteilung auf die Schalen an. In welcher Periode und in welcher Hauptgruppe steht Chlor?
Lösung zeigen
Ergebnis: 2, 8, 7: 3. Periode, Hauptgruppe VII.
1. 17 Elektronen: 2 und 8 auf die ersten beiden Schalen, 17−10=7 auf die dritte.
2. Drei Schalen heisst 3. Periode.
3. Sieben Valenzelektronen heisst Hauptgruppe VII.
6
Ein Atom hat drei besetzte Schalen und 5 Valenzelektronen. Welches Element ist es?
Lösung zeigen
Ergebnis: Phosphor (P), Ordnungszahl 15.
1. Drei Schalen: Die ersten beiden sind voll, also 2 und 8.
2. Dazu 5 auf der dritten: 2+8+5=15 Elektronen.
3. Ordnungszahl 15 ist Phosphor, 3. Periode, Hauptgruppe V.
7
Calcium hat die Ordnungszahl 20. Gib die Verteilung auf die Schalen an. Warum lautet sie nicht 2, 8, 10?
Lösung zeigen
Ergebnis: 2, 8, 8, 2. Nach 8 Elektronen auf der dritten Schale wird zuerst die vierte Schale besetzt.
1. Bis Calcium gilt: 2, dann 8, dann 8.
2. Das sind 18 Elektronen. Die letzten 20−18=2 kommen auf die vierte Schale.
3. Die dritte Schale könnte zwar 18 fassen, füllt sich aber erst nach Calcium weiter auf.
8
Aluminium (2, 8, 3) bildet ein Ion. Welche Ladung hat es, und wie sind seine Elektronen danach verteilt?
Lösung zeigen
Ergebnis: $A l^{3 +}$ mit der Verteilung 2, 8, wie Neon.
1. Aluminium hat 3 Valenzelektronen. Abgeben ist leichter als 5 aufnehmen.
2. Nach dem Abgeben bleibt 2, 8, eine volle äussere Schale.
3. 13 Protonen und 10 Elektronen ergeben die Ladung 3+.
9
Schwefel hat die Ordnungszahl 16. Welches Ion bildet Schwefel, und welchem Edelgas gleicht es danach?
Lösung zeigen
Ergebnis: $S^{2 -}$ mit 2, 8, 8, wie Argon.
1. Schwefel hat 2, 8, 6, also 6 Valenzelektronen.
2. Ihm fehlen 2 Elektronen zur vollen Schale. Es nimmt 2 auf: 2, 8, 8.
3. 16 Protonen und 18 Elektronen ergeben die Ladung 2−. Argon hat ebenfalls 2, 8, 8.

10
Gymnasium: Schreib die Elektronenkonfiguration von Kalium (Ordnungszahl 19) ausführlich und in der Kurzform mit Edelgas.
Lösung zeigen
Ergebnis: $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6} 4 s^{1}$ , kurz $[Ar] 4 s^{1}$ .
1. Reihenfolge: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d.
2. Bis 3p sind es 2+2+6+2+6=18 Elektronen, das ist die Konfiguration von Argon.
3. Das 19. Elektron kommt in 4s, weil 4s energieärmer ist als 3d.
11
Gymnasium: Ein Element der 3. Periode hat diese Ionisierungsenergien: 578, 1'817, 2'745 und 11'577 kJ/mol für das 1. bis 4. Elektron. Wie viele Valenzelektronen hat es, und welches Element ist es?
Lösung zeigen
Ergebnis: 3 Valenzelektronen: Aluminium.
1. Der grosse Sprung liegt zwischen dem 3. und dem 4. Elektron.
2. Also sitzen 3 Elektronen aussen, das 4. kommt aus einer inneren Schale.
3. 3. Periode und 3 Valenzelektronen: Hauptgruppe III, das ist Aluminium.
12
Gymnasium: Die erste Ionisierungsenergie von Natrium beträgt 496 kJ/mol, die von Kalium nur 419 kJ/mol. Erkläre den Unterschied mit dem Schalenmodell.
Lösung zeigen
Ergebnis: Das Valenzelektron von Kalium sitzt auf der vierten Schale, weiter weg vom Kern als das von Natrium auf der dritten. Es wird schwächer angezogen und lässt sich leichter entfernen.
1. Natrium: 2, 8, 1, das Valenzelektron liegt auf der 3. Schale.
2. Kalium: 2, 8, 8, 1, das Valenzelektron liegt auf der 4. Schale.
3. Weiter aussen und durch mehr innere Elektronen abgeschirmt, zieht der Kern es weniger stark an.
13
Zink hat 30 Elektronen und die Verteilung 2, 8, 18, 2. Erkläre, warum auf der dritten Schale hier 18 Elektronen liegen, bei Calcium aber nur 8.
Lösung zeigen
Ergebnis: Die dritte Schale fasst bis zu 18 Elektronen. Bei Kalium und Calcium wird zuerst die vierte Schale begonnen; von Scandium bis Zink füllt sich dann die dritte Schale von 8 auf 18.
1. Höchstzahl der dritten Schale: 2·3²=18.
2. Calcium (20): 2, 8, 8, 2, die vierte Schale ist schon begonnen.
3. Die 10 Elemente danach, Scandium bis Zink, füllen die dritte Schale auf: 8+10=18.

Hakt es beim Verteilen der Elektronen oder bei den Orbitalen, geht eine Lehrperson die Schalen mit deinem Kind Element für Element durch. Nachhilfe in Chemie für Sek und Gymnasium

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Trainer: Schalenmodell

So funktioniert der Trainer

Immer neue Fragen zum Schalenmodell, mit einer kurzen Erklärung nach jeder Antwort. Stufe 1 übt das Besetzen der Schalen, Stufe 2 verbindet sie mit dem Periodensystem, Stufe 3 übt Ionen, Ionisierungsenergie und Orbitale.

Natrium hat 11 Elektronen. Wie viele liegen auf der äussersten Schale?

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Für Eltern und Lehrpersonen

Lehrplan 21

Typische Klasse: 2. Sek - 2. Jahr Gymnasium
Stufe: Zyklus 3, Gymnasium
Fach: Chemie

In der 2. und 3. Sek im Fach Natur und Technik als Schalenmodell mit 2, 8, 8 Elektronen, verbunden mit dem Periodensystem. Im Gymnasium kommen die Ionisierungsenergie und das Orbitalmodell mit s-, p- und d-Orbitalen dazu.

NT.3.2.dDie Elektronen der ersten Elemente auf Schalen verteilen und daraus Periode, Hauptgruppe und die Ladung ihrer Ionen ableiten.
NT.3.2.cAtome aus Kern und Hülle beschreiben, mit Protonen, Neutronen und Elektronen und ihrem Platz im Periodensystem.

Codes nach dem Lehrplan 21 der Deutschschweiz, Umschreibung in eigenen Worten. Wann genau das Thema drankommt, legt das Lehrmittel der Schule fest. Alle Themen nach Lehrplan 21

Gut zu wissen

Häufige Fragen

Was ist das Schalenmodell, einfach erklärt?

Das Schalenmodell beschreibt, wie die Elektronen eines Atoms angeordnet sind. Sie liegen auf Schalen um den Kern, die sich von innen nach aussen füllen. Die erste Schale fasst 2 Elektronen, die zweite 8.

Wie viele Elektronen passen auf eine Schale?

Auf die n-te Schale passen höchstens 2n² Elektronen, also 2, 8, 18 und 32. In der Sek rechnest du bis Calcium mit 2, 8, 8 und dem Rest auf der vierten Schale, weil die vierte Schale vor dem Auffüllen der dritten begonnen wird.

Was ist der Unterschied zwischen Schalenmodell und Orbitalmodell?

Im Schalenmodell liegen die Elektronen auf Schalen mit festem Abstand zum Kern. Das Orbitalmodell ist genauer: Es teilt jede Schale in Unterschalen (s, p, d, f) und beschreibt Räume, in denen sich die Elektronen mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhalten. Für die Sek reicht das Schalenmodell, im Gymnasium kommen die Orbitale dazu.

In welcher Klasse lernt man das Schalenmodell?

Meist in der 2. oder 3. Sek im Fach Natur und Technik, zusammen mit dem Periodensystem. Im Gymnasium folgen Ionisierungsenergie und Orbitale. Je nach Kanton und Schule kann es etwas früher oder später sein.