Ein Elektron im Atom kann nicht jede beliebige Energie haben. Es gibt nur bestimmte Werte, wie du auf einer Treppe nur auf Stufen stehen kannst, nicht dazwischen. Diese Werte heißen Energiestufen.

Die Schalen sind die Hauptenergiestufen. Sie werden von innen nach außen mit $n = 1, 2, 3, \dots$ nummeriert (K, L, M, ...). Je größer $n$, desto größer die Energie und desto weiter ist das Elektron im Mittel vom Kern entfernt. Auf der Hauptenergiestufe $n$ finden höchstens $2n^2$ Elektronen Platz: 2, 8, 18, 32.

Jede Hauptenergiestufe zerfällt in Unterstufen, die s, p, d (ab Stufe 4 auch f) heißen. Stufe 1 hat nur s, Stufe 2 hat s und p, Stufe 3 hat s, p und d. In s ist Platz für 2 Elektronen, in p für 6, in d für 10. Prüfe: Stufe 2 fasst 2 + 6 = 8 Elektronen, Stufe 3 fasst 2 + 6 + 10 = 18.

Die Elektronenkonfiguration schreibt auf, wie viele Elektronen in welcher Unterstufe sitzen. Die Zahl nennt die Hauptenergiestufe, der Buchstabe die Unterstufe, die Hochzahl die Zahl der Elektronen. Natrium hat 11 Elektronen: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$. Prüfe: 2 + 2 + 6 + 1 = 11.

Die Elektronen besetzen zuerst die energieärmste Unterstufe, die noch Platz hat. Die Reihenfolge ist 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p. Die 4s-Stufe liegt also noch unter der 3d-Stufe. Kürzer schreibst du die Konfiguration des vorigen Edelgases in eckigen Klammern: Natrium $[\mathrm{Ne}]\,3s^1$.

Valenzelektronen sind die Elektronen der äußersten Hauptenergiestufe (bei den Hauptgruppen die s- und p-Elektronen). Bei den Hauptgruppenelementen ist ihre Zahl die Nummer der Hauptgruppe: 1 in Gruppe 1, 2 in Gruppe 2, bei Gruppe 13 bis 18 die Gruppennummer minus 10 (Chlor in Gruppe 17: 7).

Die Edelgase haben in der äußersten Stufe die Konfiguration $s^2p^6$, also 8 Valenzelektronen (Helium nur $1s^2$). Diese volle Außenstufe ist besonders stabil. Die Edelgasregel sagt: Atome erreichen eine Edelgaskonfiguration, indem sie Elektronen abgeben, aufnehmen oder in Bindungen teilen.

Der positive Kern hält die Elektronen fest. Um eines ganz zu entfernen, braucht man Energie. Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die nötig ist, um aus einem gasförmigen Atom ein Elektron zu entfernen. Die erste Ionisierungsenergie gilt für das am schwächsten gebundene, äußerste Elektron. Man gibt sie in kJ pro mol Atome an (kJ/mol).

Gerundete Werte der ersten Ionisierungsenergie: Lithium 520, Natrium 496, Kalium 419; in Periode 3 Natrium 496, Magnesium 738, Chlor 1251, Argon 1521; Neon 2081.

• In einer Periode steigt sie im Großen und Ganzen von links nach rechts: Die Kernladung wächst, die Elektronen bleiben auf derselben Stufe und werden stärker angezogen.
• In einer Gruppe sinkt sie von oben nach unten: Das äußerste Elektron sitzt auf einer höheren Stufe, weiter vom Kern, und die inneren Elektronen schirmen die Kernladung ab.

Du kannst auch das zweite und dritte Elektron entfernen. Die Werte zeigen, wie viele Valenzelektronen ein Atom hat.

Bei Natrium springt der Wert nach dem ersten Elektron, bei Magnesium nach dem zweiten. Das nächste Elektron stammt dann aus der vollen zweiten Stufe, viel näher am Kern, und ist fest gebunden.

Alle Atome eines Elements haben dieselbe Protonenzahl, die Ordnungszahl $Z$. Die Neutronenzahl kann sich unterscheiden. Atome mit gleicher Protonenzahl und verschiedener Neutronenzahl heißen Isotope. Die Massenzahl $A$ ist die Summe aus Protonen und Neutronen. Man schreibt $^{A}_{Z}\mathrm{X}$, zum Beispiel $^{35}_{17}\mathrm{Cl}$ mit 17 Protonen und 18 Neutronen, und $^{37}_{17}\mathrm{Cl}$ mit 20 Neutronen. Wasserstoff hat Isotope ohne, mit einem und mit zwei Neutronen.

Die Elektronenhülle hängt nur von der Protonenzahl ab. Isotope haben also dieselbe Konfiguration und reagieren chemisch gleich, nur die Masse ist verschieden. Die Atommasse im Periodensystem ist der nach Häufigkeit gemittelte Wert aller natürlichen Isotope. Darum ist sie meist keine ganze Zahl.

Wie ein Hauptgruppenelement reagiert, folgt aus seinen Valenzelektronen und seiner Ionisierungsenergie.

Elemente einer Gruppe reagieren ähnlich. Die Ionisierungsenergie stuft die Heftigkeit ab: Kalium gibt sein Elektron leichter ab als Natrium und reagiert heftiger.