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Alles um dich herum besteht aus Atomen: Luft, Wasser, dein Stift und auch dein Körper. Atome sind aber keine kleinen massiven Kugeln, sondern haben einen inneren Aufbau. Danach kannst du Kern, Hülle, Protonen, Neutronen und Elektronen sicher unterscheiden und typische Aufgaben mit Ordnungszahl und Massenzahl lösen.
- Ich kann Atomkern und Atomhülle unterscheiden.
- Ich kann Protonen, Neutronen und Elektronen mit Ladung und Masse einordnen.
- Ich kann Ordnungszahl, Massenzahl und Neutronenzahl verwenden.
- Ich kann Isotope und Ionen unterscheiden.
- Ich kann erklären, warum Atommodelle Grenzen haben.
Der Grundaufbau eines Atoms
Atome wirken im Alltag unvorstellbar klein. Trotzdem haben sie eine klare Struktur: einen sehr kleinen Kern und eine viel größere Hülle.
Atom
Ein Atom ist ein Baustein der Materie. Es besteht aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Elektronenhülle. In einem neutralen Atom ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen.
Atomkern und Atomhülle
Der Atomkern enthält Protonen und Neutronen und trägt fast die gesamte Masse des Atoms. Die Atomhülle enthält Elektronen. Die Hülle bestimmt stark, wie ein Atom mit anderen Atomen reagiert und Licht aufnimmt oder abgibt.
Der Kern ist im Vergleich zum ganzen Atom winzig. Wenn das Atom etwa so groß wie ein Stadion gedacht wird, wäre der Kern nur ein kleiner Punkt in der Mitte. Der Rest ist nicht "feste Materie", sondern der Raum, in dem Elektronen beschrieben werden.
Ein häufiger Denkfehler lautet: "Atome sind kleine harte Kugeln." Dieses Bild hilft manchmal, aber es erklärt weder Spektren noch chemische Bindungen. Für den Aufbau brauchst du Kern und Elektronenhülle.
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Die drei wichtigen Teilchen
Für den Schulunterricht brauchst du vor allem Proton, Neutron und Elektron. Sie unterscheiden sich in Ladung, Ort und Masse.
Elementarteilchen im Atommodell
Ein Proton ist positiv geladen und sitzt im Kern. Ein Neutron ist elektrisch neutral und sitzt ebenfalls im Kern. Ein Elektron ist negativ geladen und gehört zur Hülle. Protonen und Neutronen nennt man zusammen Nukleonen.
Die Ladungen sind betragsmäßig gleich groß: Ein Proton hat \(+e\), ein Elektron \(-e\). Neutronen haben keine elektrische Ladung. Die Massen von Proton und Neutron liegen beide ungefähr bei \(1{,}67\cdot 10^{-27}\,\text{kg}\); ein Elektron ist etwa \(1836\)-mal leichter als ein Proton.
Ein neutrales Kohlenstoffatom hat \(6\) Protonen.
Weil es neutral ist, hat es auch \(6\) Elektronen. Die positive Kernladung \(+6e\) und die negative Hüllenladung \(-6e\) gleichen sich aus.
Protonenzahl bestimmt das Element. Elektronenzahl bestimmt bei gleicher Protonenzahl die Ladung des Atoms oder Ions.
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Ordnungszahl, Massenzahl und Isotope
Im Periodensystem steht zu jedem Element die Ordnungszahl. Sie ist in Atomaufbau-Aufgaben besonders wichtig.
Ordnungszahl und Massenzahl
Die Ordnungszahl \(Z\) ist die Anzahl der Protonen im Kern. Die Massenzahl \(A\) ist die Anzahl aller Nukleonen, also Protonen plus Neutronen. Die Neutronenzahl ist \(N=A-Z\).
Kohlenstoff-12 hat die Massenzahl \(A=12\). Kohlenstoff hat die Ordnungszahl \(Z=6\).
Gesucht ist die Neutronenzahl:
Ein neutrales Kohlenstoff-12-Atom hat also \(6\) Protonen, \(6\) Neutronen und \(6\) Elektronen.
Isotop
Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Sie haben also dieselbe Ordnungszahl \(Z\), aber unterschiedliche Massenzahlen \(A\). Chemisch sind sie oft ähnlich, physikalisch können sie sich unterscheiden.
Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 sind Isotope.
Beide haben \(Z=6\), also \(6\) Protonen. Kohlenstoff-12 hat \(12-6=6\) Neutronen. Kohlenstoff-14 hat \(14-6=8\) Neutronen.
Sie sind dasselbe Element, aber nicht derselbe Atomkern.
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Ionen: Wenn Elektronen fehlen oder dazukommen
Atome können Elektronen abgeben oder aufnehmen. Der Kern bleibt dabei im normalen Chemie- und Schulkontext unverändert.
Ion
Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül. Ein positives Ion hat weniger Elektronen als Protonen. Ein negatives Ion hat mehr Elektronen als Protonen. Die Protonenzahl bleibt dabei gleich.
Natrium hat \(Z=11\). Ein Natrium-Ion \(\text{Na}^+\) hat die Ladung \(+1\).
Das bedeutet: Es hat ein Elektron weniger als das neutrale Natriumatom.
\(\text{Na}^+\) hat also \(11\) Protonen und \(10\) Elektronen.
Ein häufiger Fehler ist: "Ein positives Ion hat zusätzliche Protonen bekommen." In chemischen Ion-Aufgaben ändert sich die Protonenzahl nicht. Es werden Elektronen abgegeben oder aufgenommen.
Atommodelle und ihre Grenzen
Atommodelle wurden im Lauf der Geschichte verbessert. Jedes Modell erklärt bestimmte Beobachtungen und hat Grenzen.
Atommodell
Ein Atommodell ist eine vereinfachte Vorstellung vom Atom, mit der man Beobachtungen erklären und Vorhersagen machen kann. Daltons Kugelmodell, Rutherfords Kern-Hülle-Modell, Bohrs Schalenmodell und das Orbitalmodell sind wichtige Stationen. Kein Schulmodell ist die ganze Wirklichkeit.
Rutherford zeigte mit Streuversuchen, dass die positive Ladung und fast die ganze Masse im kleinen Kern sitzen. Das Bohrsche Modell nutzte feste Energieniveaus, um Lichtspektren besser zu erklären. Das Orbitalmodell beschreibt Elektronen nicht als kleine Planeten auf festen Bahnen, sondern über Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.
Das Schalenmodell kann erklären, dass Elektronen nur bestimmte Energien aufnehmen oder abgeben.
Es kann aber leicht zu der falschen Vorstellung führen, Elektronen würden wie winzige Kugeln auf perfekten Kreisbahnen laufen. Im modernen Modell spricht man vorsichtiger von Orbitalen und Wahrscheinlichkeiten.
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Alles auf einen Blick
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Zusammenfassung
Ein Atom besteht aus einem kleinen, massereichen Kern und einer Elektronenhülle. Protonen sind positiv, Neutronen neutral und Elektronen negativ geladen. Die Ordnungszahl \(Z\) gibt die Protonenzahl an, die Massenzahl \(A\) die Zahl der Nukleonen; daraus folgt \(N=A-Z\). Isotope unterscheiden sich in der Neutronenzahl, Ionen in der Elektronenzahl. Atommodelle sind nützliche Werkzeuge mit Grenzen.