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Aufbau der Atome

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Aufbau der Atome

Lange Zeit war der Aufbau der Atome unklar, erst durch jahrelange Forschung und Weiterentwicklung sind wir über mehrere Stationen bei dem heute oft verwendeten Atommodell von Bohr ("Bohrsches Atommodell") angekommen.

Das Atommodell von Rutherford

Nach dem Rutherfordschen Atommodelll besteht ein Atom grundsätzlich erst einmal aus ...

... einem massehaltigen positiv geladenen und sehr kleinem Kern atommodell
... einer (nahezu) masselosen negativ geladenen und vergleichsweise großen Atomhülle (orange dargestellt)

Das Größenverhältnis von Kern und Hülle ist hier nicht im richtigen Maßstab dargestellt. Nur zum Vergleich, wäre der Atomkern so groß wie ein Stecknadelkopf, dann wäre der Radius der Atomhülle ca. 100m.

Bausteine der Atome

Die Bausteine der Atome nennt man Elementarteilchen. Im Atom findet man drei verschiedene Elementarteilchen. Die Eigenschaften, und wo sich diese befinden, zeigt folgende Übersicht:

Elementarteilchen Ladung Masse
Vorkommen
Proton positiv 1 u Atomkern
Neutron neutral 1 u Atomkern
Elektron negativ 1/1800 u Atomhülle

u = 1,66 * 10-27 kg

 

Aufbau der Atome und das Periodensystem der Elemente

Die Anzahl der Protonen (Protonenzahl), Neutronen (Neutronenzahl) und Elektronen (Elektronenzahl) aller Elemente lassen sich durch einen Blick in das PSE entweder direkt ablesen oder mit einer kurzen Rechnung herleiten.

Direkt abzulesen sind:

pse1


Berechnen kann man:

Berechneter Wert Rechenweg Erklärung Am Beispiel Kohlenstoff C
Neutronenzahl* = Massenzahl - Protonenzahl Die Massenzahl setzt sich zusammen aus Protonenzahl und Neutronenzahl. Neutronenzahl = 12-6 = 6
Elektronenzahl = Protonenzahl Gilt für ungeladene Atome, dann befinden sich im Atom genau so viele Protonen wie Elektronen. Elektronenzahl = 6

 * Gemeint ist die Neutronenzahl des häufigsten Isotops eines Elements. Durch das Phänomen der Isotope ist es auch möglich, dass gleiche Elemente sich in ihrer Anzahl der Neutronen unterscheiden. Dabei bleibt die Anzahl der Protonen und Elektronen aber gleich!

Mini-Übungen:

1. Gib die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen von Kalium (K) an. Lösung

2. Gib die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen von Chlor (Cl) an. Lösung

 

Das Atommodell von Bohr

Die Weiterentwicklung des Atommodells von Rutherford ist das Atommodell von Bohr. Die Änderung betrifft die "Position" der Elektronen innerhalb der Atomhülle. Diese befinden sich im neueren Atommodell nicht mehr irgendwo in der Atomhülle, sondern auf festgelegten Bahnen (oder auch Schalen genannt).

 

bohr2

Die Schalen (Abkürzung "n") werden von innen nach außen durchnummeriert. Jede Schale kann nur von einer begrenzten Anzahl an Elektronen besetzt werden. Das lässt sich mit folgender Formel berechnen.

Maximale Anzahl e- = 2n2

Die erste Schale kann also mit 2 Elektronen, die zweite mit 8 Elektronen und die dritte mit 18 Elektronen, usw. besetzt werden.

Wenden wir das Ganze auf das Beispiel von Magnesium an. Ein Magnesiumatom besitzt 12 Protonen und damit auch 12 Elektronen.

 

bohr1

Besetzt man also die Schalen von innen nach außen, dann wird die  erste Schale mit 2 Elektronen, die zweite Schale mit 8 Elektronen und die dritte Schale mit den übrig bleibenden 2 Elektronen besetzt.

Man spricht hier von der Elektronenkonfiguration des jeweiligen Atoms. Man kann die Elektronenkonfiguration auch in Kurzform angeben: 122832 Die Ziffern 1-3 stehen dabei für die jeweilige Schale und die hochgestellten Ziffern für die Anzahl der Elektronen in der jeweiligen Schale


Mini-Übung: Zeichne die Besetzung der Elektronenschalen eines Sauerstoffatoms  Lösung

 

Die Ordnung im Periodensystem der Elemente

Die Elektronen auf der äußersten Schale werden Valenzelektronen genannt. Die Anzahl der Valenzelektronen bestimmt maßgeblich die chemischen Eigenschaften eines Elements. Innerhalb des Periodensystems der Elemente werden alle Elemente mit der gleichen Anzahl an Valenzelektronen untereinander in die gleiche Hauptgruppe geschrieben. Elemente in einer Hauptgruppe zeichnen sich durch sehr ähnliche Eigenschaften aus. Eine Ausnahme ist Wasserstoff (H). Wasserstoff hat nur wenig mit den anderen Elementen in der I.Hauptgruppe gemeinsam, ist aber dennoch auf Grund der Elektronenkonfiguration mit einem Valenzelektron dort untergebracht.

 

 

 

Hauptgruppe

 

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

1 Valenz-elektron

2 Valenz-elektronen

3 Valenz-elektronen

4 Valenz-elektronen

5 Valenz-elektronen

6 Valenz-elektronen

7 Valenz-elektronen

8 Valenz-elektronen

Periode

1

H

 

 

 

 

 

 

He

2

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

3

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

4

K

Ca

 

 

 

 

Br

Kr

5

 

 

 

 

 

 

I

Xe

6

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die 8.Hauptgruppe: Die Edelgase und die Edelgaskonfiguration

 

bohr3

Elektronenkonfiguration von Argon

Die Edelgase zeichnen sich durch besondere Stabilität aus, sie reagieren praktisch nie. Der Grund dafür liegt darin, dass sie in der äußersten Schale 8 Valenzelektronen (bzw. beim Helium 2 Valenzelektronen) haben, dieser Zustand ist energetisch besonders günstig.

Man spricht von der Edelgaskonfiguration, wenn ein Atomion genau 8 Valenzelektronen (bzw. 2 Valenzelektronen bei Wasserstoff) hat. Man spricht hierbei von Atomionen bzw. allgemein Ionen, wenn durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen mehr oder weniger Elektronen als Protonen vorhanden sind.

Alle Atome streben nach der Edelgaskonfiguration. Dies erreichen sie nur, indem sie ...

1. ... Elektronen abgeben bzw. aufnehmen und Ionen bilden => Salze

2. ... Elektronenpaare zwischen zwei Elektronen bilden, die geteilt werden => Moleküle

Wie das genau abläuft, wird im Kapitel "Chemische Bindungen" erläutert.