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Atom: Aufbau, Ionen und Isotope einfach erklärt
Atome sind die kleinsten Einheiten chemischer Elemente. Sie bestehen aus einem sehr kleinen, massereichen Kern und einer Elektronenhülle. Chemisch lassen sie sich nicht weiter zerlegen – physikalisch sind sie jedoch aus kleineren Teilchen aufgebaut.
Auf dieser Seite lernst du, Kern und Hülle zu unterscheiden, Teilchenzahlen zu bestimmen, Ionen und Isotope zu erklären und Atommodelle richtig einzuordnen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
So ist ein Atom aufgebaut
Stell dir ein Atom nicht als feste Kugel vor. Es besitzt einen winzigen Atomkern und eine viel größere Atomhülle. Ein typischer Atomdurchmesser liegt ungefähr bei $10^{-10}\,\mathrm{m}$, ein Kerndurchmesser ungefähr bei $10^{-15}\,\mathrm{m}$. Trotzdem steckt mehr als 99,9 % der Masse im Kern.
Atomkern
Der Atomkern enthält positiv geladene Protonen und meist ungeladene Neutronen. Protonen und Neutronen heißen zusammen Nukleonen. Das häufigste Wasserstoffatom ist die Ausnahme: Sein Kern besteht nur aus einem Proton.
Atomhülle
Die Atomhülle enthält negativ geladene Elektronen. Sie ist für die Größe des Atoms und für sein chemisches Verhalten entscheidend, trägt aber nur sehr wenig zur Atommasse bei.
Die Ladungen gleichen sich aus, wenn gleich viele Protonen wie Elektronen vorhanden sind. Dann ist das Atom elektrisch neutral. Neutronen verändern die elektrische Ladung nicht.
Ein neutrales Kohlenstoffatom besitzt sechs Protonen. Deshalb besitzt es auch sechs Elektronen. Hat sein Kern zusätzlich sechs Neutronen, enthält das Atom insgesamt zwölf Nukleonen.
Protonen bestimmen das Element, Elektronen bestimmen die Ladung und Neutronen beeinflussen die Massenzahl.
Ordnungszahl, Massenzahl und Isotope
Die Ordnungszahl $Z$ gibt die Zahl der Protonen an. Sie legt eindeutig fest, zu welchem Element ein Atom gehört. Ein Atom mit sechs Protonen ist daher immer Kohlenstoff.
Die Massenzahl $A$ zählt Protonen und Neutronen im Kern:
$$A=Z+N$$
Dabei steht $N$ für die Neutronenzahl. Um die Neutronenzahl zu bestimmen, stellst du die Beziehung um:
$$N=A-Z$$
Ein Nuklidsymbol zeigt Massenzahl links oben und Ordnungszahl links unten, zum Beispiel $^{12}_{6}\mathrm{C}$.
Für $^{12}_{6}\mathrm{C}$ gilt:
- $Z=6$: Der Kern enthält sechs Protonen.
- $A=12$: Der Kern enthält insgesamt zwölf Nukleonen.
- $N=A-Z=12-6=6$: Es sind sechs Neutronen vorhanden.
- Ohne Ladungszeichen ist das Atom neutral und besitzt sechs Elektronen.
Die Massenzahl ist eine ganze Zählzahl für ein bestimmtes Isotop. Die Atommasse wird dagegen in der Einheit $u$ angegeben und ist nur näherungsweise so groß wie die Massenzahl. Protonen und Neutronen besitzen jeweils ungefähr die Masse $1\,u$; $1\,u=1{,}66\cdot10^{-27}\,\mathrm{kg}$.
Isotop
Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Deshalb besitzen sie dieselbe Ordnungszahl, jedoch verschiedene Massenzahlen.
$^{12}_{6}\mathrm{C}$ und $^{14}_{6}\mathrm{C}$ sind Kohlenstoffisotope. Beide haben sechs Protonen. Kohlenstoff-12 besitzt sechs Neutronen, Kohlenstoff-14 besitzt acht.
Wie aus Atomen Ionen werden
Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen. Es entsteht, wenn ein Atom Elektronen abgibt oder aufnimmt. Der Kern bleibt dabei unverändert.
- Gibt ein Atom Elektronen ab, überwiegt die positive Ladung der Protonen: Es entsteht ein positives Kation.
- Nimmt ein Atom Elektronen auf, überwiegt die negative Ladung der Elektronen: Es entsteht ein negatives Anion.
Die Ladungszahl in Elementarladungen kannst du mit
$$q=Z-N_{\mathrm e}$$
bestimmen. $N_{\mathrm e}$ ist die Elektronenzahl. Ein Ergebnis von $+1$ bedeutet einfach positiv, ein Ergebnis von $-1$ einfach negativ.
Ein neutrales Natriumatom hat 11 Protonen und 11 Elektronen. Es gibt ein Elektron ab:
$$\mathrm{Na\rightarrow Na^+ + e^-}$$
Danach besitzt es 11 Protonen, aber nur 10 Elektronen. Daher gilt $q=11-10=+1$: Das Natriumion $\mathrm{Na^+}$ ist ein Kation.
Ein neutrales Chloratom hat 17 Protonen und 17 Elektronen. Es nimmt ein Elektron auf:
$$\mathrm{Cl+e^-\rightarrow Cl^-}$$
Danach besitzt es 18 Elektronen. Daher gilt $q=17-18=-1$: Das Chloridion $\mathrm{Cl^-}$ ist ein Anion.
Das Vorzeichen verrät die Elektronenänderung: positiv bedeutet Elektronenmangel, negativ bedeutet Elektronenüberschuss.
Was Modelle und Reaktionen zeigen
Atommodelle sind vereinfachte Vorstellungen. Das Schalenmodell ordnet Elektronen bestimmten Schalen zu und hilft, die Elektronenverteilung anschaulich zu beschreiben. Für die ersten Schalen nennt es maximale Besetzungen von 2, 8, 18 und 32 Elektronen; allgemein lautet die Modellregel $2n^2$ für die Schalennummer $n$.
Elektronen bewegen sich nicht wie winzige Planeten auf genau festgelegten Kreisbahnen. Im genaueren Orbitalmodell werden ihre Zustände durch räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeiten beschrieben. Für einfache Schulaufgaben kann das Schalenmodell trotzdem nützlich sein. Ab der vierten Periode reicht die einfache Schalenordnung zur Erklärung der Elektronenverteilung nicht mehr aus.
Auch bei Reaktionen musst du Kern und Hülle auseinanderhalten:
- Bei einer chemischen Reaktion ändert sich die Anordnung oder Zuordnung von Elektronen. Die Protonenzahl bleibt gleich; es entsteht dadurch kein anderes Element.
- Bei einer Kernreaktion verändert sich der Kern. Ändert sich die Protonenzahl, entsteht ein anderes Element. Kernspaltung und Kernfusion sind Beispiele.
Wenn Natrium ein Elektron abgibt, entsteht $\mathrm{Na^+}$. Das Teilchen bleibt Natrium, weil sein Kern weiterhin 11 Protonen besitzt. Erst eine Änderung der Protonenzahl würde die Elementzugehörigkeit ändern.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Atom
- Atomkern
- Protonen: positiv, bestimmen das Element
- Neutronen: neutral, verändern die Massenzahl
- Atomhülle
- Elektronen: negativ, bestimmen die Ladung mit
- Elektronenabgabe: Kation
- Elektronenaufnahme: Anion
- Kennzahlen
- Ordnungszahl: Protonenzahl
- Massenzahl: Protonen plus Neutronen
- Isotope: gleiches Element, andere Neutronenzahl
- Modelle und Veränderungen
- Schalenmodell: anschauliche Vereinfachung
- Chemische Reaktion: Hülle ändert sich
- Kernreaktion: Kern ändert sich
- Atomkern