Valenzelektronen – ihre Bedeutung für chemische Bindungen

Valenzelektronen – ihre Bedeutung für chemische Bindungen

Erinnerst du dich noch daran, wie ein Atom aufgebaut ist? Es besteht aus Neutronen sowie Protonen im Kern und Elektronen in der wesentlich größeren Atomhülle. In der Kernphysik interessiert man sich besonders für den Atomkern. In der Chemie interessieren wir uns aber mehr für die Elektronen, insbesondere für die Außenelektronen, die am weitesten vom Kern entfernt sind. Diese Außenelektronen werden auch Valenzelektronen genannt. Aber was macht diese Elektronen so besonders? Dazu wiederholen wir zunächst den grundsätzlichen Aufbau eines Atoms.

Atomaufbau

Atome bestehen aus dem Atomkern und der Atomhülle (Kern-Hülle-Modell). Im Kern befinden sich elektrisch positiv geladene Protonen ($p^+$) und elektrisch neutrale Neutronen ($n$). Damit ist der Atomkern in seiner Gesamtheit immer elektrisch positiv geladen. In der Atomhülle befinden sich die elektrisch negativ geladenen Elektronen ($e^-$). Die entgegengesetzten Ladungen von Elektronen und Protonen gleichen sich aus, da es im Atom immer genauso viele Protonen wie Elektronen gibt. Damit ist ein Atom insgesamt elektrisch neutral.

Die Elektronen im Schalenmodell

Die Besetzung der Atomhülle mit Elektronen, die sogenannte Elektronenkonfiguration, erfolgt nicht irgendwie frei, sondern in einer ganz bestimmten Art und Weise. Die Elektronen in der Hülle bewegen sich auf festen Schalen um das Atom. Dabei kann die erste, dem Kern am nächsten liegende Schale maximal zwei Elektronen aufnehmen. Die darüber liegenden Schalen können mit maximal acht Elektronen besetzt werden. Man spricht dabei auch vom Schalenmodell. Je nach Element und Zahl der Elektronen ist eine bestimmte Schale die äußerste Schale. Die äußerste Schale heißt auch Valenzschale.

An dieser Stelle merken wir uns, dass Atome mit voll besetzter Valenzschale – bei der ersten Schale also zwei Elektronen, bei allen anderen Schalen acht Elektronen – energetisch gesehen besonders stabil sind.

Die Valenzelektronen und das Periodensystem der chemischen Elemente

Wir wissen bereits, dass die Valenzelektronen die Außenelektronen auf der Valenzschale eines Atoms sind. Die Valenzelektronen sind in der Chemie deshalb so wichtig, weil sie an der chemischen Bindung beteiligt sind. Der Begriff Valenz bedeutet nichts anderes als Bindung. Du findest das Wort auch in dem Begriff kovalent wieder. Nun wollen wir herausfinden, wie viele Valenzelektronen ein Element hat und wie viele Schalen es besitzt, die mit Elektronen besetzt werden. Dabei hilft dir das Periodensystem der Elemente.

Wie bestimmt man die Zahl der Valenzelektronen? – Bestimmung

Bei Betrachtung des Periodensystems stellst du schnell fest, dass die Elemente senkrecht übereinander in Gruppen, den Hauptgruppen und Nebengruppen, angeordnet sind. Die Haupt- und Nebengruppen haben die Zahlen 1 bis 8, wobei die Hauptgruppen des Periodensystems oft auch mit den römischen Zahlen I bis VIII beschriftet sind. Diese Zahl entspricht genau der Zahl der Valenzelektronen.

Merke: Die Nummer der Gruppe, in dem ein Element steht, entspricht genau der Anzahl der Valenzelektronen des Elements.

Beispiele: Das Element Lithium ($Li$) findest du oben in der I. Hauptgruppe. Das bedeutet, dass Lithium nur ein Valenzelektron hat. Kohlenstoff mit dem Symbol $C$ steht in der IV. Hauptgruppe, es hat also vier Valenzelektronen. Es ist also ganz einfach, man kann die Zahl der Valenzelektronen einfach an der Gruppennummer ablesen.

Ausnahme: Ganz oben rechts steht in der VIII. Hauptgruppe das Element Helium ($He$), obwohl es nur zwei Valenzelektronen hat. Wegen der chemischen Ähnlichkeit mit den anderen Elementen der VIII. Hauptgruppe – es ist die Gruppe der Edelgase – hat man Helium dort eingeordnet.

Merke: Die Elemente einer Hauptgruppe haben immer die gleiche Anzahl an Valenzelektronen, deshalb verhalten sie sich in den meisten Fällen chemisch sehr ähnlich.

Wie bestimmt man die Zahl der Schalen? – Bestimmung

Die Elemente befinden sich im Periodensystem auch in waagerechten Perioden. Ganz oben, in der ersten Periode, findest du nur zwei Elemente: ganz oben links den Wasserstoff ($H$) und ganz oben rechts das Helium ($He$). Du kannst es dir bestimmt schon denken. Die erste Periode folgt der Besetzung der ersten Schale mit Elektronen. Da in der ersten Schale nur Platz für zwei Elektronen ist, stehen in dieser Periode auch nur zwei Elemente, Wasserstoff mit einem Valenzelektron und Helium mit zwei Valenzelektronen.

Wenn du eine Reihe tiefer gehst, dann bist du in der zweiten Periode, die der Besetzung der zweiten Schale folgt. Da diese Schale mit acht Elektronen aufgefüllt werden kann, findest du in dieser Periode auch acht Elemente: Lithium ($Li$), Beryllium ($Be$), Bor ($B$), Kohlenstoff ($C$), Stickstoff ($N$), Sauerstoff ($O$), Fluor ($F$) und Neon ($Ne$).

Merke: Die Nummer der Periode, in der ein Element steht, entspricht der Zahl der Schalen in den Atomen des Elements.

Beispiel: Sauerstoff steht in der zweiten Periode, es hat somit zwei Schalen, eine innere und eine äußere Schale – die Valenzschale. Da wir auch wissen, dass Sauerstoff in der VI. Hauptgruppe steht, wissen wir auch, dass seine Valenzschale mit sechs Valenzelektronen besetzt ist.

Valenzelektronen und chemische Bindung

Wir erinnern uns, dass Atome mit voll besetzter Valenzschale – bei der ersten Schale also zwei Elektronen, bei allen anderen Schalen acht Elektronen – energetisch gesehen besonders stabil sind. Nun ist es aber so, dass die Elemente in den ersten sieben Hauptgruppen keine voll besetzte Schale haben. Damit haben sie noch keinen besonders stabilen Zustand erreicht. Wenn sie aber eine chemische Bindung eingehen, dann können sie diesen stabilen Zustand erreichen. Wie das gelingt, schauen wir uns an einem Beispiel an:

Das Element Lithium ($Li$) mit insgesamt drei Elektronen steht in der I. Hauptgruppe. Die erste Schale ist mit zwei Elektronen voll besetzt. Dazu befindet sich noch ein Elektron auf der Valenzschale. Wenn Lithium dieses Elektron abgeben würde, dann bliebe die darunterliegende voll besetzte Schale als neue Valenzschale übrig. Das wäre ein besonders stabiler Zustand für das Lithium. Und genau deswegen gibt Lithium sein Valenzelektron gerne an ein anderes Element ab.

Als Akzeptoren bieten sich besonders die Elemente der VII. Hauptgruppe an, denn diese benötigen nur noch ein Elektron, damit ihre Valenzschale voll besetzt ist. Chlor ($Cl$) ist beispielsweise ein Element der 7. Hauptgruppe. Lithium und Chlor gehen eine chemische Verbindung ein, das bedeutet, dass das Lithiumatom sein Valenzelektron an das Chloratom abgibt. So bilden beide eine chemische Bindung und es entsteht die Verbindung Lithiumchlorid ($LiCl$). In der Verbindung haben jetzt beide Atome voll besetzte Valenzschalen. Sie haben dadurch beide einen stabilen Zustand erreicht. Wegen der Abgabe und der Aufnahme eine Elektrons sind die Atome aber nicht mehr elektrisch neutral. Lithium wird durch Elektronenabgabe positiv und Chlor durch Elektronenaufnahme negativ. Aber in der Verbindung Lithiumchlorid gleichen sich die entgegengesetzten Ladungen wieder aus.

In vergleichbarer Weise verbindet sich Natrium aus der 1. Hauptgruppe mit Chlor aus der VII. Hauptgruppe. Natrium steht in der dritten Periode, somit ist seine dritte Schale die Valenzschale mit einem Valenzelektron. Die Verbindung, die dabei entsteht, kennst du bestimmt. Es ist das Kochsalz mit der chemischen Formel $NaCl$. Wie zu erwarten reagiert Natrium chemisch ganz ähnlich wie Lithium.

Was ist die Edelgasregel?

Eine gemeinsame Eigenschaft der Edelgase, welche sich in der 8. Hauptgruppe des Periodensystems befinden, ist, dass sie schon eine voll besetzte Valenzschale besitzen. Sie sind also schon stabil und deswegen gehen sie unter normalen Bedingungen auch keine chemischen Reaktionen ein. Aber alle anderen Elemente gehen nach der Edelgasregel dann eine chemische Verbindung mit anderen Atomen ein, wenn dadurch ein energetisch besonders stabiler Zustand erreicht wird. So ein stabiler Zustand liegt vor, wenn die Valenzschale, wie bei den Edelgasatomen, mit Elektronen voll besetzt ist. Man spricht dann auch von der sogenannten Edelgaskonfiguration.

Hinweise zum Video

Das Video erklärt dir den Zusammenhang zwischen Valenzelektronen und chemischer Bindung. An Vorkenntnissen solltest du den Aufbau der Atome und die chemischen Begriffe Element und Verbindung und in Grundzügen auch die Formelschreibweise beherrschen.

Du findest hier auch Übungen zu den Valenzelektronen und Arbeitsblätter mit Lösungen.