Info- Schalenmodell von Bohr

Info zu Niels Bohr

Niels Bohr (1885 -1962) war ein dänischer Physiker. Er erhielt den Nobelpreis für Physik im Jahr 1922 „für seine Verdienste um die Erforschung der Struktur der Atome und der von ihnen ausgehenden Strahlung“.

In seinem Labor stellte er folgendes fest: Erhitzt man Wasserstoff Atome, so strahlen sie elektromagnetische Wellen mit einer ganz bestimmten und immer gleichen Wellenlänge ab. Er folgerte daraus, dass die Elektronen den Atomkern in ganz bestimmten Abständen umkreisen müssten.
Das Bohr´sche Schalenmodell war geboren.

Sein Schalenmodell baut auf dem Kern-Hüllen-Modell von Rutherford auf und erweitert deren Aussagen um die Elektronenschalen. 

Aussagen von dem Schalenmodell

  • Jeder Stoff besteht aus kleinsten, unteilbaren Teilchen, den Atomen.
  • Alle Atome eines Elements haben das gleiche Volumen und die gleiche Masse.
    Die Atome unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in ihrem Volumen und in ihrer Masse.
     © Wikipedia, Demokrit, 28.01.2020, Angepasst von A.Spielhoff,  CC BY SA 3.0

  • Atome sind unzerstörbar. Sie können durch chemische Reaktionen weder vernichtet noch erzeugt werden.
  • Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe nur neu angeordnet und in bestimmten Anzahlverhältnissen miteinander verbunden.
     © Wikipedia, John Dalton, 27.01.2020, CC BY SA 3.0

Möglichkeiten von Atomen:

  • Atome können Elektronen abgeben und werden dann zu elektrisch positiv geladenen Ionen (Kationen).
  • Atome können Elektronen aufnehmen und werden dann zu elektrisch negativ geladenen Ionen (Anionen).

  • Das Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle.
  • Der Atomkern ist aus positiven Protonen aufgebaut, ist damit elektrisch positiv geladen und befindet sich im Zentrum des Atoms.
  • Der Durchmesser des Atomkerns beträgt nur ein Zehntausendstel des gesamten Atomdurchmessers.
  • In der Atomhülle befinden sich negativ geladene Elektronen, die um den Atomkern kreisen. 
  • Die Atomhülle ist ein fast „leerer“ Raum, da die Elektronen noch viel kleiner sind als der Atomkern.
  • Atome enthalten eine gleiche Anzahl von positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen, daher sind Atome nach außen hin elektrisch neutral.

  • Die Atomhülle mit Elektronen besteht aus mehreren Schalen.
    Jede Schale fasst eine bestimmte maximale Anzahl von Elektronen:
    • K-Schale=2
    • L- Schale=8
    • M-Schale=18
    • etc. (maximale Elektronen = 2Schalen 2)

Die Modellart

Das Modell ist differenziert und genügt für die meisten Erklärungen.

Darstellung eines Sauerstoff Atoms mit dem Schalenmodell

A.Spielhoff, 5 Schalenmodell, CC BY 4.0

A.Spielhoff, 5-Schalenmodell,  CC BY SA 4.0

Genauigkeit des Modell am Beispiel eines Autos

L.Ebbersmeyer, Modell 4 (Bohr), CC BY SA 4.0

L.Ebbersmeyer, Modell 4 (Schalenmodell),  CC BY SA 4.0

Mit dem Schalenmodell lassen sich erklären:

  • die Entstehung von positiven und negativen Ionen.
  • der Aufenthaltsort der Protonen (Kern) und der Elektronen (Hülle) in einem Atom.
  • der Aufbau des Periodensystems.
  • der Aufenthaltsort der Elektronen auf den Schalen in der Atomhülle.
  • die chemischen Reaktionen der Atome und die chemischen Bindungen.

Erklärung zum Schalenmodell

© A.Spielhoff, Atom im Schalenmodell beschriftet Schalen , CC BY 4.0

Das Schalenmodell

Das Schalenmodell (oder auch Atommodell nach Bohr) begründet auf der Annahme, dass die Elektronen den Atomkern in bestimmten Abständen umkreisen. Diese Aufenthaltsräume werden Schalen genannt. Sie werden ausgehend vom Atomkern K-, L-, M-, N- Schale usw. bezeichnet.
Elektronen befinden sich im Atom in ganz bestimmten Abständen vom Atomkern auf Schalen. Zwischen diesen Schalen liegt ein leerer Raum. Elektronen können und dürfen sich nur auf den Schalen und nicht in den “verbotenen Zonen” aufhalten.

Besetzung der Schalen

  1. Bei der Besetzung der Elektronenbahnen gilt:
    Die Anzahl der Elektronen in ungeladenen Atomen ist genau so groß wie die Anzahl der Protonen. (Ionen bilden hier eine Ausnahme)
    Beispiel links: Das Argon Atom hat 18 Protonen und 18 Elektronen.
    Die Ordnungszahl eine Atomen gibt die die Anzahl der Elektronen an.

  2. Prinzip der geringsten Energie:
    Die Schalen werde immer von innen nach außen gefüllt.
    Beispiel links: Kohlenstoff hat 2 Elektronen auf der K-Schale (die zuerst besetzt wurde) und 4 auf der L-Schale. Im Kern hat das Kohlenstoff Atom 6 Protonen und 6 Neutronen und ist damit Elektrisch neutral.

  3. Oktettregel:
    Auf der äußersten Schale befinden sich nie mehr als 8 Elektronen.

  4. Berechnung der maximalen Elektronen pro Schale:
    Für die K-. L- und M-Schale gilt: Die maximale Anzahl der Elektronen pro Schale ergeben sich aus der Formel 2n2 (n= Schalenzahl).
    Daraus ergibt sich folgendes Prinzip:
    K-Schale (n= 1): Maximale Elektronenzahl 2
    L- Schale (n= 2): Maximale Elektronenzahl 8
    M- Schale (n= 3): Maximale Elektronenzahl 18
    N-Schale (n= 4): Maximale Elektronenzahl 32

    Vereinfacht könnt ihr euch Merken:
    1 Schale = 2 Elektronen
    alle anderen Schalen = 8 Elektronen (Oktettregel)
    © Text von serlo.org,Schalenmodell, Angepasst von A.Spielhoff, CC BY-SA-4.0

© A.Spielhoff, Argon Atom im Schalenmodell beschriftet mit Atomkern , CC BY 4.0

© A.Spielhoff, Kohlenstoff Atom im Schalenmodell , CC BY 4.0

Schalenmodell und das Periodensystem

  • Ordnungszahl = Anzahl der Protonen 
  • Ordnungszahl = Anzahl der Elektronen
  • römische Hauptgruppennummer = Anzahl der Valenzelektroen (Aussenelektronen) 
  • Massenzahl = Gewicht der Atome in Unit (ergibt sich aus der Protonen,- und Neutronenanzahl)
  • Neutronenzahl = Massenzahl – Ordnungszahl
  • Periodenzahl = Anzahl der Schalen

Quantensprünge

Jede Schale entspricht einem bestimmtem Energieniveau. Je weiter ein Elektron vom Kern entfernt ist, desto energiereicher ist es.
Regt man Atome durch Energiezufuhr an, so springen die Elektronen auf ein höheres Energieniveau (nach Bohr auf eine äußere Schale, über die “verbotene Zone” hinweg).
Beim Rücksprung geben die Elektronen die vorher aufgenommene Energie in Form von Strahlung (wie beispielsweise Licht) wieder ab. Diesen Rücksprung bezeichnet man als Quantensprung.
Je größer die Rücksprungweite, desto energiereicher ist das Licht.
© Text von serlo.org,Schalenmodell, Angepasst von A.Spielhoff, CC BY-SA-4.0

© A.Spielhoff, Wasserstoff im Schalenmodell mit Emission, CC BY 4.0

YouTube Video von "musstewissen Chemie" zu Bohrsche Schalenmodell

Ionen mit dem Schalenmodell erklärt

In neutralen Atomen ist die Anzahl der Elektronen genau so groß wie die Anzahl der Protonen.
Wenn das Atom aber Elektronen aufnimmt oder abgibt wird es zu einem geladenen Ion (siehe auch Rosinenkuchenmodell).


© A.Spielhoff, chemische Reaktion Li + Schalenmodell, CC BY 4.0
Wenn das neutrale Lithium Atom ein Elektronen ab gibt, wird es ein einfach positiv geladenes Lithium Ion (H+) (Kation). Denn der Kern besitzt weiterhin drei positive Protonen aber in der Hülle sind nur noch zwei Elektronen auf der ersten Schale vorhanden.
Das Lithium ähnelt nun äußerlich dem Edelgas Helium, was eine sehr bestrebenswerter Zustand ist.

© A.Spielhoff, chemische Reaktion O2- Schalenmodell, CC BY 4.0
Das neutrale Sauerstoff Atom besitzt im Kern 8 Protonen und in der Elektronenhülle 8 Elektronen. Wenn Sauerstoff zwei Elektronen hinzubekommt dann hat es anschließend 10 negative Elektronen in den ersten beiden Schalen aber weiterhin den gleichen positiven Kern.
Das Sauerstoff wird hierdurch zum zweifach negativ geladenen Sauerstoff Ion (O 2) (Anion).
Die negative Ladung kann man bei dem Modell durch den schwarzen Stecker in der “Steckverbindung” erkennen. 
Der Sauerstoff ähnelt nun äußerlich dem Edelgas Neon, was eine sehr bestrebenswerter Zustand ist.

Wichtig: Alle Atome haben das bestreben in ihrer Elektronenhülle einem Edelgas zu ähneln (Edelgaskonfigurationen). In ihrer Edelgaskonfigurationen sind Atome und Ionen energetisch besonders stabil.

Grenzen vom Schalenmodell:

Das Schalenmodell lässt sich gut auf Wasserstoffatome anwenden, stößt bei schwereren Atomen allerdings auf seine Grenzen. Obwohl die Elektronen in der Realität nicht auf definierten Bahnen um den Atomkern kreisen, wird das Schalenmodell dennoch oft für Erklärungen herangezogen.
In den 1920er Jahren wurde das Schalenmodell von der Orbitaltheorie abgelöst. 
 © Text von serlo.org,Schalenmodell, Angepasst von A.Spielhoff, CC BY-SA-4.0

Bau von Atomen nach dem Schalenmodell - interaktiv

YouTube Video von "SIMPLECLUB" zum Bohrschen Atommodell

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