Atombau

Um verstehen zu können, wie chemische Elemente Bindungen miteinander eingehen, müssen wir uns zuerst ansehen, wie Atome überhaupt aufgebaut sind. 

Um den Atombau zu verstehen, müssen wir mit den kleinsten Elementen beginnen und uns zu den größeren hinaufarbeiten. Am Beginn stehen daher die Elementarteilchen. Zu ihnen gehören unter anderem die Elektronen und die up- & down-Quarks, aus denen sich Protonen und Neutronen zusammensetzen.

Elektronen, Protonen und Neutronen bilden zusammen die Atome. Atome wiederrum sind die kleinsten Einheiten der Materie und stellen somit die Grundbausteine der Materie dar. Der Begriff Materie beschreibt die Gesamtheit aller beobachtbaren Dinge im Universum, welche eine Masse besitzen.

Protonen haben eine positive Ladung und die Elektronen eine negative. Neutronen hingegen haben keine Ladung.

Wir stellen uns das Atom zunächst als eine Kugel vor. Diese Kugel hat einen Kern und eine Hülle. Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen. Der Überbegriff für die Teilchen im Kern ist Nukleonen, was so viel bedeutet wie Kernteilchen.

In der Hülle befinden sich die Elektronen. Diese besitzen eine sehr kleine Masse und nehmen sehr wenig Platz in der Hülle ein. Die Hülle eines Atoms ist also eigentlich fast leer und macht nur einen verschwindend geringen Teil der gesamten Masse aus.

Die Hülle ist deutlich größer als der Kern. Dennoch besitzt der Kern fast die gesamte Masse des Atoms. Das wird dadurch bedingt, dass die Nukleonen eine viel größere Masse als Elektronen haben. Anhand der Verteilung der Teilchen ergibt sich ein positiver Teil und ein negativer Teil im Atom. Der positive Teil des Atoms ist der Kern und der negative Teil ist die Hülle. Im Gesamten ist ein Atom, genauer ein Atom eines Elements, elektrisch neutral. Logischerweise ist deshalb auch die Anzahl der Elektronen entsprechend der Anzahl der Protonen. 

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Zudem herrscht durch die entgegengesetzten Ladungen eine Anziehung zwischen Kern und Hülle, was dazu führt, dass sich die Hülle nicht freiwillig vom Kern trennt. Wenn ein Ungleichgewicht zwischen Elektronen und Protonen herrscht, ist das Atom entweder positiv oder negativ geladen, je nach Ungleichgewicht.

Ein Atom mit ungleicher Anzahl an Elementarteilchen wird geladenes Teilchen bzw. Ion genannt. Die Anzahl der Protonen gibt die Kernladungszahl eines Atoms an, welche ebenfalls seine Ordnungszahl ist. Diese definiert das Atom als ein bestimmtes Element im Periodensystem der Elemente. Sauerstoff z. B. hat 8 Protonen und besitzt somit die Ordnungszahl 8 im Periodensystem. Die Masse wieder rum erhält man durch das Zusammenaddieren der Anzahl an Neutronen und Protonen. Die Elektronen werden dabei nicht berücksichtigt, da sie sehr leicht sind.

Der Massendefekt bezeichnet das Phänomen, dass die tatsächliche Masse eines Kern stets kleiner ist als die Masse, die man erhält, wenn man die Massen der Nukleonen addiert. Das liegt daran, dass zwischen den Kernteilchen starke Anziehungskräfte herrschen, weshalb bei der Entstehung eines Kerns Energie frei wird. Hier kommt die bekannte Formel \(E = m \cdot c^2\) ins Spiel: Dadurch, dass Energie freigesetzt, E also kleiner wird, muss auch die Masse m kleiner werden.

Die Masse der Elemente hat die Einheit Dalton und Protonen sowie Neutronen besitzen eine relative Atommasse von 1.
Wenn Elemente die gleiche Protonenanzahl, jedoch eine andere Neutronenanzahl besitzen, werden sie Isotop genannt.

Der Einfachheit halber stellt man sich vor, dass die Elektronen auf Schalen um den Kern kreisen. Dieses Modell wird Bohrsches Atommodell genannt und entspricht nicht so ganz der Wirklichkeit, weshalb es vom genaueren und wahrheitsgetreueren Orbitalsystem abgelöst wurde.

Trotzdem hilft es dir beim Einstieg in die Thematik, um dir einen Überblick zu verschaffen. Je weiter wir im Periodensystem der Elemente in Richtung höhere Ordnungszahl gehen, desto mehr Elektronen muss das Element in seiner Hülle haben. Das bewerkstelligt das Atom, in dem es mehrere Schalen besitzt. Diese werden mit den Buchstaben K, L, M, N, O etc. gekennzeichnet.

Die Elektronen auf den Schalen verfügen über unterschiedliche Energieniveaus. Je näher eine Schale dem Kern ist, desto niedriger ist ihr Energieniveau.

Ein Elektron kann in einen angeregten Zustand versetzt werden. Der angeregte Zustand bedeutet ein höheres Energieniveau, was wiederrum bedeutet, dass das Elektron in eine der Schalen „springen“ kann, die weiter weg vom Kern sind.

Wenn das Elektron wieder in den Grundzustand des tieferen Energieniveaus übergeht, geht es auf diejenige Schale zurück, die näher am Kern ist. Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird dabei Energie frei.

Da die Elektronen negativ geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab, demnach kann nur eine gewisse Anzahl an Elektronen in einer Schale sein. Diese Zahl ist 2n2. N steht für die Zahl der Schale (K=1, L=2, M=3,..), diese multipliziert mit sich selbst und im Anschluss mal 2. Also können beispielsweise auf der K-Schale 2 Elektronen und auf der L-Schale 8 Elektronen gleichzeitig sein.

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