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Kern-Hülle-Modell

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Einführung

Abb. 1: Ein Atom ist nicht unteilbar.
Abb. 1: Ein Atom ist nicht unteilbar.
In der Chemie haben wir viel mit Atomen zu tun. Atome sind die Bausteine aus denen alle Stoffe aufgebaut sind. Aber wieso heißt ein Atom eigentlich Atom? Atom kommt vom griechischen atomos und bedeutet so viel wie unteilbar.
Diesen Namen gab man ihnen, weil man lange Zeit dachte, dass ein Atom die kleinste Einheit ist. Ein Atom kann man nicht mehr weiter zerlegen. Diese Ansicht stimmt nicht. Atome selbst sind nicht die kleinste Einheite. Sie bestehen aus eigenen, kleineren Bausteinen. Wie diese Bausteine aussehen und wieso Atome eigentlich zum größten Teil aus gar nichts bestehen, wollen wir uns in diesem Skript einmal anschauen.

Rutherfords Streuversuch

Abb. 2: Der Aufbau von Rutherfords
Experiment. Er bestrahlte eine Gold-
folie mit $\alpha$-Teilchen aus einer Strahlungs-
quelle. Darum herum war ein Photoschirm
aufgebaut.
Abb. 2: Der Aufbau von Rutherfords Experiment. Er bestrahlte eine Goldfolie mit $\alpha$-Teilchen aus einer Strahlungsquelle. Darum herum war ein Photoschirm aufgebaut.
Anfang des 20. Jahrhunderts führte Ernest Rutherford einen Versuch durch: Er bestrahlte eine dünne Goldfolie mit $\alpha$-Teilchen. In einem großen Kreis um die Goldfolie herum baute er einen Fotoschirm auf. Wenn $\alpha$-Teilchen auf den Fotoschirm treffen sollten, dann würden sie den Schirm schwärzen.
Das Ergebnis seines Versuchs war nun, dass der größte Teil der Strahlung den Fotoschirm hinter der Goldfolie schwärzte, die $\alpha$-Teilchen also nicht abgelenkt wurden. Nur wenige $\alpha$-Teilchen wurden von der Goldfolie abgelenkt und schwärzten einen anderen Bereich des Fotoschirms und das obwohl die Folie doch aus vielen Lagen dicht gepackter Goldatome bestand. Rutherford schloss aus diese Versuch, dass ein Atom keine feste Kugel ist, sondern viel mehr aus einem großen, leeren Raum besteht, indem sich ein paar Teilchen aufhalten. Diese Teilchen wollen wir uns nun näher anschauen.

Die Bausteine eines Atoms

Ein Atom besteht aus einem festen Kern. Dieser Kern setzt sich aus einer Gruppe von Protonen und Neutronen zusammen. Protonen sind positiv geladene Teilchen, während Neutronen, wie ihr Name schon andeutet, neutral geladen sind. Der Kern ist also insgesamt positiv geladen.
Der Kern wird von einer Anzahl kleinerer, negativ geladener Teilchen umgeben, den sogenannten Elektronen. Ein Atom hält durch die Anziehung zwischen dem positiv geladenen Kern und den negativ geladenen Elektronen zusammen. Insgesamt ist ein Atom neutral geladen, d.h. es gibt genauso viele Elektronen wie Protonen.
Die Masse eines Atoms wird weitestgehend von der Masse der Protonen und Neutronen ausgemacht. Diese wiegen beide ungefähr 1 u (=Unit). Das ist eine Masseeinheit, die man für das geringe Gewicht dieser Teilchen eingeführt hat. 1 u entspricht ungefähr $1,661\cdot10^{-27}\,\text{kg}$. Elektronen sind im Vergleich zu Protonen und Neutronen so leicht, dass man ihr Gewicht vernachlässigen kann. Wenn du wissen willst, wie schwer ein Atom ist, brauchst du also nur die Anzahl an Protonen und Neutronen im Kern wissen.

Den Kern mit Hüllen ummanteln

Die Elektronen sind nicht wahllos um den Atomkern angeordnet. Sie befinden sich in sogenannten Schalen. Das sind keine richtigen Schalen, wie du sie z.B. im Haushalt verwendest, denn dann müssten sie ja aus irgendeiner Art von Materie bestehen. Diese Schalen sind viel mehr Räume, in denen sich die Elektronen bevorzugt aufhalten.
Von diesen Schalen gibt es mehrere, die sich immer weiter vom Kern entfernen. Die kleinste Schale, die K-Schale, liegt direkt um den Atomkern. In sie passen 2 Elektronen hinein. Darum herum liegt die L-Schale. Sie kann bis zu 8 Elektronen fassen. Danach folgt die M-Schale. Sie kann prinzipiell mehr als 8 Elektronen fassen, das ist aber nur für Nebengruppenelemten wichtig. Du musst dir nur merken, dass bei den Hauptgruppenelementen quasi nur 8 Elektronen hinein passen.
Abb. 3: Der Aufbau eines Sauerstoff- und eines Chloratoms. Rot ist der Kern dargestellt. Darum herum sind die Schalen mit den kleinen, blauen Elektronen dargestellt. Gestrichelte Kreise deuten an, dass die Schale noch nicht ganz befüllt ist. Sauerstoff besitzt 8 und Chlor 17 Elektronen.
Abb. 3: Der Aufbau eines Sauerstoff- und eines Chloratoms. Rot ist der Kern dargestellt. Darum herum sind die Schalen mit den kleinen, blauen Elektronen dargestellt. Gestrichelte Kreise deuten an, dass die Schale noch nicht ganz befüllt ist. Sauerstoff besitzt 8 und Chlor 17 Elektronen.
Der Atomkern ist im Vergleich zum Rest des Atoms unheimlich klein. Wenn du z.B. annehmen würdest, dass ein Atomkern so groß wie ein Stecknadelkopf ist, also ungefähr $2\,\text{mm}$ im Durchmesser, dann wäre dein Atom im Vergleich dazu $200\,\text{m}$ im Durchmesser. Das ist zwei mal die Länge eines Fußballfelds! Dafür konzentriert sich in dem winzigen Kern 99,9% der Masse des Atoms. Wir haben ja schon bereits vorher gesagt, dass die Masse eines Elektrons kaum ins Gewicht fällt.

Das Kugelwolkenmodell

Das Kern-Hülle-Modell ist wie der Name schon sagt nur ein Modell. Wenn du dich intensiver mit der Chemie beschäftigst, dann wirst du in den nächsten Jahren lernen, dass dieses Modell die Wirklichkeit nicht genau wiedergibt. Für die Chemie, mit der du dich derzeit befasst, reicht es aus, um alle Vorgänge erklären zu können.
Für die tiefergehende Chemie brauchst du ein präziseres Modell. Ein solches ist z.B. das Kimball-Modell oder auch Kugelwolkenmodell genannt. Wir gehen nach wie vor von unseren Schalen aus. Nur unterteilen wir jede Schale noch einmal in kleinere Elektronenwolken. Diese Elektronenwolken sind wie die Schalen Bereiche, in denen sich die Elektronen bevorzugt aufhalten. In eine Elektronenwolke passen 2 Elektronen.
Die Anzahl an Elektronenwolken steigt mit zunehmender Schalenzahl, ebenso wie die maximale Anzahl an Elektronen pro Schale. Die Formel hierfür lautet:
$\text{Maximale Elektronenzahl}=2\cdot n^2$
Dabei ist $n$ die Zahl der Schale. In die erste Schale passen also 2 Elektronen. Sie enthält demnach nur eine Elektronenwolke. In die zweite Schale passen nach der Formel 8 Elektronen und sie besteht deshalb aus 4 Elektronenwolken. Jede Schale darüber besitzt wieder mehr Elektronenwolken, bei Hauptgruppenelementen werden jedoch nur die ersten 4 Elektronenwolken besetzt. Die anderen Wolken werden nur bei den Nebengruppenelementen besetzt.
Es gibt außerdem noch spezielle Regeln zur Besetzung von Elektronenwolken. Elektronen sind negativ geladen und stoßen sich gegenseitig ab. Demnach werden zuerst alle Elektronenwolken eines Atoms einfach besetzt. Erst wenn jede Wolke ein Elektron enthält werden die Wolken mit einem zweiten Elektron besetzt.
Aufgrund der Abstoßung der Elektronen untereinander ordnen sich die Elektronenwolken auch so an, dass sie einen maximalen Abstand zueinander haben. Das haben sie, wenn sie wie in einem Tetraeder angeordnet sind.
Abb. 4: Der Aufbau eines Sauerstoffatoms im Elektronenwolkenmodell. Um den roten Kern herum ist die Elektronenwolke der ersten Schale. Darum herum sind die 4 Elektronenwolken der zweiten Schale in ihrer räumlichen Anordnung. Darinnen sind die kleinen blauen Elektronen eingezeichnet.
Abb. 4: Der Aufbau eines Sauerstoffatoms im Elektronenwolkenmodell. Um den roten Kern herum ist die Elektronenwolke der ersten Schale. Darum herum sind die 4 Elektronenwolken der zweiten Schale in ihrer räumlichen Anordnung. Darinnen sind die kleinen blauen Elektronen eingezeichnet.
Diese Theorie ist etwas tiefer gehend und es kann sein, dass dein Lehrer nicht von dir verlangt, dass du das Kugelwolkenmodell bis ins kleinste Detail kennst. Frage deinen Lehrer am besten, wie genau du dieses Modellsystem verstehen solltest.
Bildnachweise [nach oben]
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