Um die Verteilung der Elektronen um den Atomkern zu beschreiben, verwenden Physiker eine einfache historische Notation: die Elektronenschalen K, L, M, N, O, P und Q. Diese Notation wurde Anfang des 20. Jahrhunderts vom Physiker Charles Barkla (1877-1944) während der Untersuchung von Röntgenstrahlen eingeführt. Diese Notation ermöglicht eine schnelle Visualisierung, wie sich die Elektronen auf steigende Energieniveaus verteilen, von der Schale, die dem Kern am nächsten ist (K), bis zu den äußeren Schalen.
Jeder Buchstabe entspricht einer Hauptquantenzahl n:
K-Schale: n = 1 (erste Schale, dem Kern am nächsten)
L-Schale: n = 2 (zweite Schale)
M-Schale: n = 3 (dritte Schale)
N-Schale: n = 4 (vierte Schale)
O-Schale: n = 5 (fünfte Schale)
P-Schale: n = 6 (sechste Schale)
Q-Schale: n = 7 (siebte Schale)
Jede Schale kann eine maximale Anzahl von Elektronen aufnehmen, die durch die Formel 2n² definiert ist:
K-Schale (n=1): maximal 2 Elektronen (2 × 1² = 2)
L-Schale (n=2): maximal 8 Elektronen (2 × 2² = 8)
M-Schale (n=3): maximal 18 Elektronen (2 × 3² = 18)
N-Schale (n=4): maximal 32 Elektronen (2 × 4² = 32) → Uran erreicht dies: K(2) L(8) M(18) N(32)
O-Schale (n=5): maximal 50 Elektronen (2 × 5² = 50) → Nie erreicht (Uran hat nur 21 Elektronen in O)
P-Schale (n=6): maximal 72 Elektronen (2 × 6² = 72) → Nie erreicht
Q-Schale (n=7): maximal 98 Elektronen (2 × 7² = 98) → Nie erreicht
N.B.:
In der Praxis füllt kein bekanntes Element die Schalen über N hinaus vollständig. Das schwerste natürliche Element, Uran (Z=92), hat die Konfiguration K(2) L(8) M(18) N(32) O(21) P(9) Q(2). Das schwerste bestätigte synthetische Element, Oganesson (Z=118), hat die Konfiguration K(2) L(8) M(18) N(32) O(32) P(18) Q(8).
Jede Schale ist in Unterschalen unterteilt, die durch die Buchstaben s, p, d, f bezeichnet werden:
s-Unterschale: kann bis zu 2 Elektronen enthalten (1 Orbital)
p-Unterschale: kann bis zu 6 Elektronen enthalten (3 Orbitale)
d-Unterschale: kann bis zu 10 Elektronen enthalten (5 Orbitale)
f-Unterschale: kann bis zu 14 Elektronen enthalten (7 Orbitale)
K-Schale (n=1): enthält nur 1s (2 Elektronen max.)
L-Schale (n=2): enthält 2s und 2p (2 + 6 = 8 Elektronen max.)
M-Schale (n=3): enthält 3s, 3p und 3d (2 + 6 + 10 = 18 Elektronen max.)
N-Schale (n=4): enthält 4s, 4p, 4d und 4f (2 + 6 + 10 + 14 = 32 Elektronen max.)
O-Schale (n=5): enthält 5s, 5p, 5d und 5f (2 + 6 + 10 + 14 = 32 Elektronen max. theoretisch, obwohl die theoretische 5g-Unterschale in bekannten Elementen nicht existiert)
P-Schale (n=6): enthält 6s, 6p, 6d und 6f (2 + 6 + 10 + 14 = 32 Elektronen max. für bekannte Unterschalen)
Q-Schale (n=7): enthält 7s, 7p und potenziell 7d (nur 7s- und 7p-Elektronen werden in bekannten Elementen beobachtet)
Diese Notation gibt die Gesamtzahl der Elektronen in jeder Schale an, ohne die Unterschalen zu detaillieren. Sie ist besonders nützlich, um die gesamte Elektronenverteilung eines Atoms schnell zu visualisieren.
Helium (2 Elektronen): 1s² → K(2)
Die K-Schale ist vollständig und gesättigt.
Neon (10 Elektronen): 1s² 2s² 2p⁶ → K(2) L(8)
Die K- und L-Schalen sind vollständig und gesättigt.
Natrium (11 Elektronen): 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ → K(2) L(8) M(1)
Die K- und L-Schalen sind vollständig, die M-Schale enthält nur 1 Elektron von 18 möglichen.
Argon (18 Elektronen): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ → K(2) L(8) M(8)
Die K- und L-Schalen sind vollständig. Die M-Schale enthält 8 Elektronen, ist aber nicht vollständig (die 3s- und 3p-Unterschalen sind gesättigt, aber 3d bleibt leer).
Calcium (20 Elektronen): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² → K(2) L(8) M(8) N(2)
Beachten Sie, dass die 4s-Unterschale vor der 3d gefüllt wird, was erklärt, warum die M-Schale bei 8 Elektronen bleibt.
Titan (22 Elektronen): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s² → K(2) L(8) M(10) N(2)
Die M-Schale beginnt sich mit den 3d-Elektronen zu füllen.
Die Füllreihenfolge folgt nicht streng der Reihenfolge der K-, L-, M-, N-Schalen... aufgrund der Energieniveaus der Unterschalen. Die allgemeine Reihenfolge ist:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d...
Dieses Prinzip erklärt, warum zum Beispiel Kalium (19 Elektronen) die Konfiguration K(2) L(8) M(8) N(1) hat: das 19. Elektron geht in 4s statt in 3d, weil die 4s-Unterschale eine niedrigere Energie als 3d hat.
Die K-, L-, M-, N-, O-, P-, Q-Notation ermöglicht:
• Schnelle Visualisierung der gesamten Elektronenstruktur eines Atoms
• Einfache Identifizierung der Valenzschale (äußere Schale)
• Verständnis der chemischen Eigenschaften im Zusammenhang mit Valenzelektronen
• Erklärung der Klassifizierung der Elemente im Periodensystem
• Vorhersage der Oxidationsstufen und der chemischen Reaktivität der Elemente
