EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

16 16 Bohr´sches Modell – Unschärferelation – Energiestufen 1.4 Die Elektronenhülle Grundlagen Alle für die Chemie wichtigen Eigenschaften der Atome haben ihre Ursache im Aufbau der Elektronenhülle. Die chemische Bindung ist eine Veränderung der äußersten Teile der Elektronenhülle. Auch Farbe oder Lichtdurchlässigkeit von Stoffen wird durch die Elektronen der Hülle hervorgerufen. Das Bohr´sche Atommodell Ein Modell der Elektronenhülle, das zur Erklärung dieser Beobachtungen geeig- net war, wurde von Niels Bohr (1885 – 1962) entwickelt. Bohr ging auch davon aus, dass die Elektronen vom Kern elektrostatisch angezogen werden. Um zu erklären, weshalb sie nicht in den Kern stürzen, nahm er an, die Elektronen be- wegten sich nur auf bestimmten stabilen Kreisbahnen um den Kern (Abb. 16–1). Das Modell von Rutherford hatte einen entscheidenden Nachteil: Das Elektron ist ein geladenes Teilchen, die Kreisbewegung eine ungleichförmige Bewe- gung. Das Elektron bildet daher auf seiner Bahn einen hochfrequenten Wech- selstrom. Nach einem Grundgesetz der Physik strahlen beschleunigte Ladun- gen elektromagnetische Wellen, also Energie, in den Raum ab. Das Elektron müsste nach dem Energieerhaltungssatz die Energie auf Kosten seiner kinetischen und potenziellen Energie verlieren und schließlich doch in den Kern stürzen. Die Heisenberg´sche Unschärferelation Heute hat man die Vorstellung vom Elektron auf der Kreisbahn aufgegeben. Sie widerspricht einem weiteren wichtigen naturwissenschaftlichen Grund- prinzip – der Heisenberg´schen Unschärferelation. Nach diesem Gesetz ist es prinzipiell unmöglich, Ort und Impuls eines Teil- chens zugleich exakt anzugeben. Je genauer der Ort eines Teilchens bestimmt wird, desto ungenauer ist sein Impuls und damit seine Energie bestimmt und umgekehrt (Abb. 16–2). Bei einem kreisenden Elektron wäre aber der Punkt, an dem sich das Teilchen momentan befindet, sehr genau angegeben. Die Ener- gie des Elektrons auf einer bestimmten Kreisbahn ist völlig exakt festgelegt. Für Vorgänge in der Elektronenhülle spielt der Energiezustand der Elektronen eine entscheidende Rolle. Daher muss ein Modell der Hülle diesen Energiezu- standmöglichst exakt angeben können. Dies hat aber nach der Heisenberg´schen Unschärferelation zur Folge, dass über den Ort, an dem sich das Elektron genau aufhält, überhaupt keine Angabe mehr gemacht werden kann. Man kann nur mehr bestimmte Raumbereiche angeben, in denen sich das Elektron mit großer Wahrscheinlichkeit aufhält. Die Betrachtung des Elektrons als Teilchen, das sich an einem bestimmten Ort befindet, verliert dabei ihren Sinn. Energiestufen – Sphären Aus Beobachtungen über Absorption von Licht durch Atome hat man erkannt, dass das Elektron in der Hülle nur in bestimmten Energiestufen existieren kann. Niels Bohr nannte diese Energiestufen Schalen. In seiner Theorie können sich auf jeder Schale mehrere Elektronen in ihrer Kreisbahn befinden. Auch heute behält man das Modell dieser Schalen bei, nennt sie aber Sphä- ren. Man nimmt aber keine Kreisbahnen an, sondern diffuse Raumbereiche, in denen das Elektron, wie schon ausgeführt, nicht lokalisiert werden kann. Diese Sphären der Elektronenhülle werden von innen beginnend mit n = 1, 2, 3 … nummeriert. Außerdem bezeichnet man die Sphären mit den Großbuchstaben K, L, M ... (Abb. 16–3). In jeder Sphäre hat nur eine bestimmte Zahl von Elektronen Platz. Die Elektro- nenzahl in einer Sphäre ist begrenzt mit 2 n 2 (Abb. 16–4). Prinzipiell gilt, dass sich Elektronen in der Hülle im Zustand möglichst geringer potenzieller Energie befinden. Abb. 016–4: Die maximale Anzahl an Elektronen pro Sphäre (Schale) (Begriff "Hauptquantenzahl" siehe Seite 17) ∆ p • ∆ x ≥ h p ... Impuls x ... Richtungsvektor h ... Planck’sches Wirkungsquantum = 6,63 • 10 –34 Js Kern K-Sphäre L-Sphäre M-Sphäre N-Sphäre O-Sphäre K L M N O P Q n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 n = 5 n = 6 n = 7 2 8 18 32 50 72 98 Sphäre Haupt- quantenzahl maximale Anzahl an Elektronen 2 n 2 Abb. 016–2: Unschärferelation nach Werner Heisenberg H ü l l e Kern Kern E l e k t r o n e n Abb. 016–1: Das Kern-Hülle-Modell Abb. 016–3: Das Sphärenmodell der Atome Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv