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Valenzelektronen – ihre Bedeutung für chemische Bindungen

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Chemie-Team
Valenzelektronen – ihre Bedeutung für chemische Bindungen
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung 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. 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.

Bestimmung der Zahl der Valenzelektronen
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 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.

Bestimmung der Zahl der Schalen
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 darunter liegende 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.

Valenzelektronen am Beispiel Lithium

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 VII. 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 I. 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.

Die Edelgasregel
Die Edelgase in der VIII. Hauptgruppe haben ja schon eine voll besetzte Valenzschale, 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.

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.

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

Transkript Valenzelektronen – ihre Bedeutung für chemische Bindungen

Valenzelektronen und chemische Bindungen

Hallo! Weißt du eigentlich, wie ein Atom aufgebaut ist. Es besteht aus Neutronen und Protonen im Kern und Elektronen in der wesentlich größeren Atomhülle. In diesem Video lernst du mehr über die Elektronen eines Atoms, wobei wir uns besonders die äußersten Elektronen ansehen wollen, die auch Valenzelektronen genannt werden. Aber was macht diese Elektronen so besonders?

Dazu schauen wir uns den Aufbau eines Atoms an. Um den Atomkern herum befinden sich die Elektronen. Die Elektronen sind jedoch nicht frei im Raum verteilt sondern befinden sich nur in bestimmten Abständen zum Atomkern, den so genannten Schalen. Jede Schale kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen fassen. Die innerste Schale kann maximal nur 2 Elektronen aufnehmen. Jede weitere Schale der Hauptgruppenelemente kann hingegen maximal 8 Elektronen fassen. Doch besonders interessant ist die äußerste Schale eines Atoms. Auf dieser liegen nämlich die Außenelektronen, die sogenannten Valenzelektronen. Valenz bedeutet nichts anderes als “Bindung” - die Valenzelektronen sind also die Elektronen, die an der chemischen Bindung teilnehmen.

Doch was unterscheidet die Valenzelektronen von den anderen Elektronen? Sie sind für das chemische Verhalten der Elemente verantwortlich. Elemente mit gleicher Anzahl an Außenelektronen zeigen auch ähnliches Reaktionsverhalten, da bei chemischen Reaktionen immer nur die Elektronen der äußersten Schale Bindungen eingehen können. Die Elektronen der inneren Schalen nehmen nicht an Bindungen teil.

Die Anzahl der Außenelektronen eines jeden Atoms lassen sich ganz leicht im Periodensystem nachschauen. Dort sind nämlich alle Atome nach ihren Außenelektronen in Gruppen eingeteilt, die du sicherlich schon kennst. So haben alle Atome der ersten Hauptgruppe ein Außenelektron. Die Atome der zweiten Hauptgruppe besitzen zwei Außenelektronen. Du siehst, man kann nach der Zahl der Hauptgruppen die Außenelektronen der Atome ermitteln. Eine Ausnahme ist Helium. Es steht rechts oben im Periodensystem in der 8. Hauptgruppe. Es besitzt jedoch nur 2 Außenelektronen.

Die Perioden im Periodensystem geben dir dann an, auf welcher Schale du dich befindest. Ganz oben in der ersten Periode des Periodensystems befinden sich die Atome mit den Außenelektronen auf der 1. Schale. In der Periode darunter, der 2. Periode, beginnt eine neue, darüber liegende Schale auf der die Außenelektronen liegen.

So haben Lithium und Natrium beide nur ein Außenelektron, da sie in der 1. Hauptgruppe stehen, jedoch liegt beim Lithium das eine Außenelektron auf der 2. Schale und beim Natrium auf der 3. Schale.

Je nach Anzahl der Außenelektronen, beziehungsweise je nach Hauptgruppe, reagieren Atome dann ganz unterschiedlich miteinander. Atome innerhalb einer Gruppe jedoch, haben die selbe Anzahl an Außenelektronen und reagieren damit sehr ähnlich.

Die Elemente der ersten Hauptgruppe geben zum Beispiel ihr Außenelektron in Reaktionen bevorzugt ab und so bilden alle positive einwertige Kationen wie Li-plus und Na-plus.

Du hast nun gelernt, dass die Elektronen eines Atom sich auf bestimmten Schalen um den Atomkern herum kreisen und nicht unkontrolliert herumfliegen. Dabei hat jedes Atom seine eigene Anzahl an Elektronen. Besonders wichtig sind die Elektronen eines Atoms auf seiner äußersten Schale. Auf dieser trägt es die Außenelektronen, mit denen es Bindungen mit anderen Atomen eingeht.

Die Anzahl der Außenelektronen und der Schalen kannst du ganz leicht an den Hauptgruppen- und den Periodenzahlen ablesen. Alle Atome in einer Hauptgruppe besitzen dabei die gleiche Anzahl an Außenelektronen, wodurch sie alle sehr ähnlich reagieren.

Tschüss und bis zum nächsten mal!

25 Kommentare

25 Kommentare
  1. Der Begriff der "Hauptgruppe" ist in NRW nach wie vor geläufig und für mich ist das Video daher prima. An Manuela: Wie nennt man sie denn in Bayern?

    Von Silke Kronenfeld, vor 4 Monaten
  2. Warum sind die Farben der Protonen, Elektronen und Neutronen falsch?

    Von Kerstin Wilken, vor 5 Monaten
  3. Ergänzung: der Begriff "Hauptgruppe" kommt in keinem aktuellen Schulbuch in Österreich mehr vor. Für die Erklärung praktisch(er), jedoch leider veraltet. Ich habe mich daher gegen den Einsatz im Unterricht dieses Materials entschieden.

    Von Manuela K., vor 5 Monaten
  4. "Jede weitere Schale kann nur 8 Elektronen fassen" ist fachlich falsch.

    "Jede weitere Schale kann höchstens 8 Elektronen fassen, wenn es sich bei dieser Schale um die äußerste Schale handelt" wäre (beim hier gewählten Bohr'schen Atommodell richtig. Gibt es die Möglichkeit, das im Video noch auszubessern? Und sei es nur durch Einblendung?

    Von Manuela K., vor 5 Monaten
  5. Hallo Mustafa,
    Vielen Dank für deine Anfrage!
    Im Video wurde ja davon gesprochen, dass die erste Schale, die sogenannte K-Schale, nur zwei Elektronen besitzt, während die anderen Schalen alle maximal acht Elektronen besitzen können. Die M-Schale ist die dritte Schale, sodass also das Element, dessen K-, L- und M-Schale komplett besetzt ist, 18 Elektronen besitzt.
    Viele Grüße aus der Redaktion.

    Von Gina Ruland, vor 6 Monaten
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Valenzelektronen – ihre Bedeutung für chemische Bindungen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Valenzelektronen – ihre Bedeutung für chemische Bindungen kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Begriff des Valenzelektrons.

    Tipps

    Überlege dir, auf welcher Schale sich die Valenzelektronen befinden.

    Lösung

    Die Valenzelektronen sind die Elektronen, die sich auf der äußersten Schale eines Atoms befinden und somit für das chemische Reaktionsverhalten verantwortlich sind. Diese Elektronen können an Reaktionspartner abgegeben werden, oder es können zusätzliche Außenelektronen von anderen Atomen aufgenommen werden. Atome gehen also über ihre Valenzelektronen Bindungen zu anderen Atomen ein.

  • Erläutere die Besonderheiten der Valenzelektronen.

    Tipps

    Die Valenzelektronen können aufgenommen und abgegeben werden.

    Elektronen sind negative Ladungen. Werden sie abgegeben, wird das Teilchen positiv, werden sie aufgenommen, wird das Teilchen negativ.

    Aufnahme und Abgabe der Elektronen erfolgt während chemischer Reaktionen.

    Lösung

    Die Valenzelektronen befinden sich auf der äußersten Schale und sind somit die Elektronen, die bei einer chemischen Reaktion aufgenommen oder abgegeben werden können. Werden die Elektronen abgegeben, bilden sich je nach Anzahl der abgegeben Elektronen entsprechend wertige Kationen. Es bilden sich also positiv geladene Teilchen, da sich die Anzahl an Elektronen verringert. Werden Elektronen aufgenommen, bilden sich natürlich Anionen, also negativ geladene Teilchen. Haben Elemente die gleiche Anzahl an Außenelektronen, ist auch ihr Verhalten in chemischen Reaktionen ähnlich.

  • Nenne die Elemente, die ihre Außenelektronen auf der dritten Schale haben.

    Tipps

    Die Periode gibt dir Auskunft über die Anzahl an besetzten Schalen eines Elements.

    Schau in ein Periodensystem, welche der Elemente in der richtigen Periode stehen.

    Lösung

    Auf welcher Schale sich die Außenelektronen befinden, kannst du an den Perioden ablesen. Die Periode gibt dir nämlich Auskunft über die Anzahl der Schalen eines Elementes. Die Außenelektronen befinden sich natürlich auf der äußersten Schale. Deshalb ist die höchste besetzte Schalenanzahl eines Elementes auch die Zahl der Schale, auf der sich die Außenelektronen befinden. Wenn ein Atom die Außenelektronen auf der dritten Schale haben soll, muss es in der dritten Periode stehen. Bei den Beispielen trifft das auf Schwefel und Natrium zu.

  • Formuliere die Ionen, die folgende Elemente in Salzverbindungen bilden würden.

    Tipps

    In welcher Hauptgruppe befinden sich die Elemente?

    Werden negative Elektronen abgegeben, erhält das Teilchen eine positive Ladung.

    Je mehr Elektronen abgegeben werden, desto positiver wird das entstehende Kation.

    Lösung

    Du hast gelernt, dass sich die Anzahl der Außenelektronen an der Hauptgruppennummer ablesen lässt. Die Elemente der ersten Hauptgruppe geben ihre Außenelektronen bevorzugt ab. Wenn sie all ihre Außenelektronen abgeben, dann ist ihre Ladung nicht mehr ausgeglichen. In einem Atom ist die Anzahl der Elektronen und Protonen ja eigentlich ausgeglichen. Wird nun bei einer Reaktion ein Elektron abgegeben, haben wir plötzlich eine negative Ladung zu wenig. Das Teilchen ist dann einwertig positiv geladen und wird als Kation bezeichnet. Das ist z.B. bei Kalium, Natrium und Lithium der Fall. Werden zwei Elektronen abgegeben, so wie bei Calcium und Magnesium, ist das Teilchen zweiwertig positiv. Bei drei abgegebenen Elektronen, ist es dreiwertig positiv geladen. Solche dreiwertigen Kationen bilden Aluminium und Bor.

  • Nenne den Begriff, von dem man im Periodensystem auf die Anzahl der Außenelektronen schließen kann.

    Tipps

    Wenn du von links nach rechts im Periodensystem gehst, hat jedes Element ein Elektron mehr als das Element links neben sich.

    Lösung

    In einer Hauptgruppe findest du nur Elemente mit der gleichen Anzahl an Außenelektronen. Da die Elemente nach aufsteigender Ordnungszahl sortiert sind - also nach aufsteigender Anzahl an Protonen und Elektronen - lässt sich das leicht nachvollziehen. Bei allen Elementen der ersten Hauptgruppe beginnt die Besetzung einer Schale, also haben sie genau ein Außenelektron. Die Elemente der zweiten Hauptgruppe haben dann genau ein Elektron mehr, natürlich sitzt das auch auf der Außenschale und so haben sie zwei Außenelektronen. An der Zahl der Hauptgruppe kannst du also die Anzahl der Außenelektronen ablesen.

    Eine Ausnahme bildet Helium. Helium steht zwar in der achten Hauptgruppe, hat aber nur zwei Außenelektronen. Alle anderen Elemente der achten Hauptgruppe besitzen acht Außenelektronen.

  • Gib den richtigen Atombau zu folgenden Elementen an.

    Tipps

    Suche zunächst die Elemente im Periodensystem und sieh dir an, an welcher Stelle sie stehen.

    Welche Auskunft geben dir die Periode und die Hauptgruppe über den Atomaufbau?

    Lösung

    Im Periodensystem kannst du eine ganze Menge über den Aufbau von Atomen erfahren. Die Anzahl der Hauptgruppe, in der ein Element steht, sagt dir, wie viele Außenelektronen dieses Element hat. Die Periode verrät dir die Anzahl der Schalen. Nehmen wir als Beispiel Natrium. Dieses Element steht in der ersten Hauptgruppe. Damit hat es also ein Außenelektron. Außerdem steht Natrium in der dritten Periode und besitzt somit drei Schalen. Die Anzahl und Anordnung der Elektronen ist für jedes Element charakteristisch. Du findest also kein Element mit identischem Atomaufbau.

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