Aussenelektronen ermitteln

„Valenzelektronen“ (oft auch Außenelektronen) sind in der Chemie die Elektronen, die sich in der äußersten Schale eines Elements befinden. Die Anzahl an Valenzelektronen in einem bestimmten Atom zu bestimmen, ist für Chemiker sehr wichtig, da diese Information festlegt, welche Art von chemischen Verbindungen das Atom eingehen kann. Zum Glück benötigst du nur ein standardmäßiges Periodensystem der Elemente, um die Valenzelektronen eines Elements zu bestimmen.

Teil 1

Teil 1 von 2:

Valenzelektronen mit dem Periodensystem bestimmen

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Für Nicht-Übergangsmetalle

In dieser Tabelle werden alle bekannten chemischen Elemente farblich gekennzeichnet und in verschiedenen Quadraten angeordnet. Das Periodensystem bietet viele Informationen über die Elemente – wir werden einige dieser Informationen nutzen, um die Anzahl an Valenzelektronen in dem Element zu bestimmen, das wir untersuchen. Du findest normalerweise auf der Innenseite des Einbands eines Chemielehrbuchs ein Periodensystem. Außerdem gibt es exzellente, interaktive Periodensysteme im Internet, z.B. hier.^{[1]XForschungsquelle}
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Beschrifte die Spalten des Periodensystems mit Zahlen von 1 bis 18. In einem Periodensystem haben grundsätzlich alle Elemente in einer Spalte dieselbe Anzahl an Valenzelektronen. Wenn dein Periodensystem seine Spalten nicht durchnummeriert hat, gib jeder Spalte eine Nummer, angefangen bei der 1 ganz links bis hin zu der 18 ganz rechts. Die wissenschaftliche Bezeichnung dieser Spalten ist Gruppen.^{[2]XForschungsquelle}
- Wenn du also mit einem Periodensystem arbeitest, bei dem die Gruppen nicht nummeriert sind, fängst du mit einer Eins über Wasserstoff (H) an, fährst mit einer Zwei über Beryllium (Be) fort und machst so weiter bis zur Achtzehn über Helium (He).
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Finde dein Element auf der Tafel. Finde jetzt das Element, für das du die Valenzelektronen bestimmen willst, auf dem Tableau. Dafür kannst du sein chemisches Symbol (die Buchstaben in dem Kästchen), seine Ordnungszahl (die Zahl oben links im Kästchen) oder jede andere Information verwenden, die das Periodensystem für dich bereitstellt.
- Als Beispiel versuchen wir, die Valenzelektronen eines sehr häufig vorkommenden Elements zu finden: Kohlenstoff (C). Das Element hat die Ordnungszahl 6. Es befindet sich in Gruppe 14. Im nächsten Schritt bestimmen wir seine Valenzelektronen.
- In diesem Unterabschnitt ignorieren wir die Übergangsmetalle, also die Elemente in dem rechteckigen Block von Gruppe 3 bis 12. Diese Elemente unterscheiden sich ein wenig von dem Rest, deswegen funktionieren die Schritte in diesem Unterabschnitt nicht für sie. Wie du bei diesen Elementen vorgehst, erfährst du in einem eigenen Unterabschnitt weiter unten.
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Verwende die Gruppe, um die Anzahl an Valenzelektronen zu bestimmen. Die Gruppennummer von Nicht-Übergangsmetallen kann für die Bestimmung der Valenzelektronen in einem Atom dieses Elements verwendet werden. Die „Einerstelle“ der Gruppennummer entspricht der Anzahl an Valenzelektronen in einem Atom dieses Elements. In anderen Worten:
- Gruppe 1: Ein Valenzelektron
- Gruppe 2: Zwei Valenzelektronen
- Gruppe 13: Drei Valenzelektronen
- Gruppe 14: Vier Valenzelektronen
- Gruppe 15: Fünf Valenzelektronen
- Gruppe 16: Sechs Valenzelektronen
- Gruppe 17: Sieben Valenzelektronen
- Gruppe 18: Acht Valenzelektronen (mit der Ausnahme von Helium, das zwei hat)
- In unserem Beispiel, da Kohlenstoff in Gruppe 14 ist, können wir feststellen: ein Kohlenstoffatom hat vier Valenzelektronen.
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Übergangsmetalle

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Finde ein Element der Gruppen 3 bis 12. Wie oben bereits erwähnt, die Elemente in den Gruppen drei bis 12 nennt man Übergangsmetalle und sie verhalten sich etwas anders als der Rest der Elemente, wenn es um ihre Valenzelektronen geht. In diesem Abschnitt erklären wir, warum es bis zu einem bestimmten Punkt, nicht möglich ist, die Valenzelektronen dieser Atome zu bestimmen.
- Nehmen wir als Beispiel Tantal (Ta), Element 73. In den nächsten Schritten versuchen wir dessen Valenzelektronenzahl zu bestimmen.
- Anmerkung: Zu den Übergangsmetallen gehören auch die Lanthanoide und Actinoide (die sogenannten „Seltene Erdelemente“) - diese beiden Reihen von Elementen findet man meist ganz unten im Periodensystem und sie beginnen mit Lanthan und Actinium. Diese Elemente gehören alle noch zur Gruppe 3 des Periodensystems.
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Verstehe, dass Übergangsmetalle keine „traditionellen“ Valenzelektronen besitzen. Um zu verstehen, warum Übergangsmetall nicht genauso wie der Rest des Periodensystems „funktionieren“, muss man ein wenig tiefer in die Erklärung einsteigen, wie Elektronen sich in einem Atom verhalten. Lies weiter, um eine kurze Übersicht darüber zu bekommen oder überspringe diesen Schritt, um direkt zur Antwort zu gelangen.^{[3]XForschungsquelle}
- Wenn Elektronen zu einem Atom hinzugefügt werden, werden sie verschiedenen Orbitalen zugeordnet – also verschiedenen Bereichen um den Atomkern herum, in denen sich die Elektronen ansammeln. Grundsätzlich sind Valenzelektrone die Elektronen, die sich in der äußersten Schale befinden – also die Elektronen, die zuletzt hinzugefügt wurden.
- Aus Gründen, die ein wenig zu komplex sind, um sie hier zu erläutern, verhalten sich Elektrone, die zu der äußersten d-Schicht von Übergangsmetallen hinzugefügt werden (mehr dazu unten), zunächst zwar wie normale Valenzelektronen, kurz danach aber nicht mehr. An ihrer Stelle können sich stattdessen tieferliegende Elektronen wie Valenzelektronen verhalten. Das bedeutet, dass ein Atom verschieden viele Valenzelektronen haben kann, je nachdem, wie es beeinflusst wurde.
- Für detailliertere Erläuterungen, lies dir z.B. diesen Artikel der Uni Potsdam durch.^{[4]XForschungsquelle}
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Bestimme die Anzahl an Valenzelektronen auf der Grundlage der Gruppennummer. Wieder kann die Gruppennummer des Elements, das du untersuchst, dir mehr über ihre Valenzelektronen sagen. Allerdings gibt es für Übergangsmetalle kein festes Muster, an das du dich halten kannst – die Gruppennummer entspricht normalerweise nur einer Bandbreite an möglichen Valenzelektronenzahlen. Diese sind:^{[5]XForschungsquelle}
- Gruppe 3: Drei Valenzelektronen
- Gruppe 4: Zwei bis vier Valenzelektronen
- Gruppe 5: Zwei bis fünf Valenzelektronen
- Gruppe 6: Zwei bis sechs Valenzelektronen
- Gruppe 7: Zwei bis sieben Valenzelektronen
- Gruppe 8: Zwei bis drei Valenzelektronen
- Gruppe 9: Zwei bis drei Valenzelektronen
- Gruppe 10: Zwei bis drei Valenzelektronen
- Gruppe 11: Ein bis zwei Valenzelektronen
- Gruppe 12: Zwei Valenzelektronen
- In unserem Beispiel, da Tantal in Gruppe 5 ist, können wir nur sagen, dass es, je nach Situation, zwischen zwei und fünf Valenzelektronen hat.
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Teil 2

Teil 2 von 2:

Die Valenzelektronen mit einer Elektronenkonfiguration bestimmen

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Finde heraus, wie man eine Elektronenkonfiguration liest. Eine weitere Möglichkeit, um die Valenzelektronen eines Elements zu bestimmen, ist die sogenannte Elektronenkonfiguration. Diese sieht auf den ersten Blick kompliziert aus, ist aber nur eine Möglichkeit, um die Elektronenorbitale mit Buchstaben und Zahlen darzustellen und ist einfacher, sobald du weißt, wonach du suchen musst.
- Schauen wir uns ein Beispiel einer Konfiguration für das Element Natrium (Na) an:
  1s²2s²2p⁶3s¹
- Du kannst erkennen, dass diese Elektronenkonfiguration nur eine sich wiederholende Kette der folgenden Elemente ist:
  (Zahl)(Buchstabe)^{(erhöhte Zahl)}(Zahl)(Buchstabe)^{(erhöhte Zahl)}...
- ... und so weiter. Der erste (Zahl)(Buchstabe) Abschnitt ist der Name des Elektronenorbitals und der ^{(erhöhte Zahl)} Abschnitt ist die Anzahl an Elektronen in diesem Orbital – das ist schon alles!
- Also können wir für unser Beispiel sagen, dass Natrium zwei Elektronen im 1s-Orbital, zwei Elektronen im 2s-Orbital, sechs Elektronen im 2p-Orbital und ein Elektron im 3s-Orbital hat. Das sind insgesamt 11 Elektronen – Natrium ist das Element Nummer 11, das ergibt also Sinn.
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Finde die Elektronenkonfiguration des Elements, das du untersuchst. Wenn du erst einmal die Elektronenkonfiguration des Elements gefunden hast, ist das Bestimmen der Valenzelektronen relativ einfach (außer natürlich, es handelt sich um ein Übergangsmetall). Wenn dir die Elektronenkonfiguration gegeben ist, kannst du zum nächsten Schritt übergehen. Wenn du sie selbst finden musst, lies weiter:
- Hier ist die vollständige Elektronenkonfiguration von Ununoctium (Uuo), Element 118:
  1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶7s²5f¹⁴6d¹⁰7p⁶
- Nachdem du diese Konfiguration nun kennst, musst du nur diesem Muster folgen, bis dir die Elektronen ausgehen, wenn du die Elektronenkonfiguration eines anderen Atoms finden willst. Leichter gesagt als getan. Wenn wir z.B. das Orbitaldiagramm von Chlor (Cl), Element 17, erstellen wollen, haben wir 17 Elektronen. Wir gehen also folgendermaßen vor:
  1s²2s²2p⁶3s²3p⁵
- Achte darauf, dass die Anzahl an Elektronen sich zu 17 aufaddiert: 2 + 2+ 6 + 2 + 5 = 17. Du musst nur die Nummer des letzten Orbitals verändern – der Rest ist gleich, da alle Orbitale vor dem letzten voll sind.
- Wenn du mehr über Elektronenkonfiguration erfahren willst, lies dir diesen Artikel durch.
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Weise mit Hilfe der Oktettregel Elektronen ihren orbitalen Schalen zu. Wenn Elektronen einem Atom zugeordnet werden, fallen sie in der oben genannten Reihenfolge in verschiedene Orbitale – die ersten beiden gehen in das 1s-Orbital, die nächsten zwei in das 2s-Orbital, die sechs danach in das 2p-Orbital usw. Wenn wir es mit Atomen außerhalb der Übergangsmetalle zu tun haben, können wir sagen, dass diese Orbitale „Schalen“ um das Atom herum bilden, wobei jede Schale etwas weiter vom Kern weg ist, als die Schale zuvor. Abgesehen von der allerersten Schale, die nur zwei Elektronen aufnehmen kann, kann jede Schale bis zu acht Elektronen aufnehmen (wieder mit der Ausnahme von Übergangsmetallen). Darunter versteht man die Oktettregel.
- Nehmen wir z.B. an, wir betrachten das Element Bor (B). Da dessen Ordnungszahl fünf ist, wissen wir, dass es fünf Elektronen hat und seine Elektronenkonfiguration folgendermaßen aussieht: 1s²2s²2p¹. Da die erste Orbitalschale nur zwei Elektronen aufnehmen kann, wissen wir, dass Bor zwei Schalen haben muss: eine mit zwei 1s-Elektronen und eine mit drei Elektronen von den 2s- und 2p-Orbitalen.
- Ein weiteres Beispiel: Ein Element wie Chlor hat drei Orbitalschalen: eine mit zwei 1s-Elektronen, eine mit zwei 2s-Elektronen und sechs 2p-Elektronen und eine mit zwei 3s-Elektronen und fünf 3p-Elektronen.
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Finde die Anzahl an Elektronen in der äußersten Schale. Nachdem du nun weißt, wie die Elektronen sich auf die Schalen verteilen, kannst du auch ganz leicht die Valenzelektronen finden: verwende einfach die Anzahl an Elektronen in der äußersten Schale. Wenn die äußerste Schale voll ist (in anderen Worte, sie hat acht Elektronen - oder zwei, sollte es sich um die erste Schale handeln), ist das Element träge und reagiert nicht so leicht mit anderen Elementen. Aber noch einmal, diese Regeln gelten nicht so ganz für Übergangsmetalle.
- Wenn wir z.B. mit Bor arbeiten, können wir sagen, dass Bor drei Valenzelektronen besitzt, da sich drei Elektronen auf der äußersten Schale befinden.
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Nutze die Reihen auf deinem Periodensystem als Abkürzung zu den Orbitalschalen. Die horizontalen Reihen des Periodensystems nennt man auch Perioden. Vom oberen Ende der Tabelle ausgehend, entspricht jede Reihe einer Schale des Atoms. Das kannst du als Abkürzung verwenden, um die Anzahl der Valenzelektronen eines Elementes zu bestimmen – beginne einfach links von der Periode, wenn du die Elektronen zählen willst. Aber noch einmal gesagt, diese Methode gilt nicht für die Übergangsmetalle.
- Wir wissen z.B. dadurch, dass Selen vier orbitale Schalen hat, da es in der vierten Periode steht. Da es das sechste Element von links in der vierten Periode ist (ignoriere die Übergangsmetalle), wissen wir auch, dass es auf der vierten Schale sechs Elektronen besitzt. Damit hat also Selen sechs Valenzelektronen.
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Tipps

Die Elektronenkonfiguration kann mit Hilfe der Edelgase (die Elemente der Gruppe 18) in einer Art Kurzform geschrieben werden. Die Edelgase stehen dabei für den ersten Teil der Konfiguration. So kann z.B. die Elektronenkonfiguration von Natrium als [Ne]3s1 geschrieben werden – Sie entspricht quasi der Elektronenkonfiguration von Neon, nur mit einem Elektron mehr auf dem 3s-Orbital.
Übergangsmetalle können Valenzelektronen auf Unterschalen haben, die nicht komplett gefüllt sind. Die genaue Bestimmung der Anzahl an Valenzelektronen von Übergangsmetallen erfordert die Anwendung von Prinzipien aus der Quantentheorie und würde den Rahmen dieses Artikels sprengen.
Periodensysteme können von einem Land zum anderen variieren. Überprüfe also immer, ob du die richtige Version verwendest, um Verwirrungen zu vermeiden.

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