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Atomaufbau: Kern, Hülle und Modelle erklärt
Ein Atom besteht aus einem sehr kleinen Atomkern und einer viel größeren Elektronenhülle. Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen, in der Hülle Elektronen. Die Protonenzahl legt fest, zu welchem Element das Atom gehört.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Kern und Hülle richtig zuordnen
Atome sind die kleinsten Einheiten eines chemischen Elements, die dessen charakteristische chemische Eigenschaften besitzen. Mit chemischen Methoden werden sie nicht in andere Elemente zerlegt. Physikalisch bestehen sie jedoch aus kleineren Teilchen.
Atomkern
Der Atomkern liegt im Zentrum des Atoms. Er enthält positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen. Protonen und Neutronen heißen zusammen Nukleonen oder Kernteilchen.
Elektronenhülle
Die Elektronenhülle umgibt den Kern. In ihr befinden sich negativ geladene Elektronen. Die Hülle nimmt fast den gesamten Raum des Atoms ein, trägt aber nur einen sehr kleinen Teil seiner Masse.
| Teilchen | Ort | Ladung | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| Proton | Kern | positiv | bestimmt das Element |
| Neutron | Kern | neutral | trägt zur Kernmasse bei |
| Elektron | Hülle | negativ | ist wichtig für Ionen, Bindungen und chemische Reaktionen |
Protonen und Neutronen sind keine unteilbaren Elementarteilchen: Sie bestehen aus Quarks. Für den grundlegenden Atomaufbau genügt zunächst ihre Beschreibung als Kernteilchen.
Kern: Protonen und Neutronen. Hülle: Elektronen.
Ordnungszahl und Massenzahl nutzen
Die Ordnungszahl $Z$ ist die Zahl der Protonen im Kern. Sie heißt auch Kernladungszahl. Alle Atome mit derselben Protonenzahl gehören zum selben chemischen Element.
Beispiele:
- Ein Proton bedeutet Ordnungszahl 1: Das Element ist Wasserstoff.
- Sechs Protonen bedeuten Ordnungszahl 6: Das Element ist Kohlenstoff.
Die Massenzahl $A$ ist die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen. Bezeichnest du die Neutronenzahl mit $N$, gilt:
$$A = Z + N$$
Daraus folgt in Worten: Neutronenzahl = Massenzahl minus Ordnungszahl.
Ein Kohlenstoff-12-Atom hat die Ordnungszahl $Z=6$ und die Massenzahl $A=12$.
- Die Ordnungszahl gibt die Protonenzahl an: 6 Protonen.
- Die Neutronenzahl ist $N=A-Z=12-6=6$.
- Ist das Atom neutral, besitzt es ebenso viele Elektronen wie Protonen: 6 Elektronen.
Das Atom enthält also 6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen.
Verwechsle die ganzzahlige Massenzahl nicht mit einer durchschnittlichen Atommasse aus dem Periodensystem. Nur die Massenzahl eines bestimmten Isotops lässt sich hier direkt als Protonenzahl plus Neutronenzahl verwenden.
Atom, Ion, Isotop und Element unterscheiden
Ein Element umfasst alle Atome mit derselben Protonenzahl. Ein einzelnes Atom kann neutral oder elektrisch geladen sein.
Ein gewöhnliches neutrales Atom besitzt gleich viele Protonen wie Elektronen. Die positive und die negative Gesamtladung gleichen sich aus.
Ion
Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül. Ein Kation ist positiv geladen, ein Anion negativ geladen.
Bei der Ionenbildung ändert sich die Elektronenzahl, nicht die Protonenzahl:
- Elektronenabgabe erzeugt einen Elektronenmangel und damit ein Kation.
- Elektronenaufnahme erzeugt einen Elektronenüberschuss und damit ein Anion.
Ein neutrales Lithiumatom besitzt 3 Protonen und 3 Elektronen. Gibt es ein Elektron ab, bleiben 3 Protonen und 2 Elektronen zurück. Eine positive Ladung überwiegt: Es entsteht ein einfach positiv geladenes Lithium-Ion.
Ein Chloratom mit 17 Protonen wird nach der Aufnahme eines Elektrons zum Chlorid-Ion. Es besitzt dann 18 Elektronen und 17 Protonen. Eine negative Ladung überwiegt.
Isotop
Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Deshalb haben sie verschiedene Massenzahlen.
Ein Ion entsteht also durch eine veränderte Elektronenzahl. Isotope unterscheiden sich dagegen in ihrer Neutronenzahl. Ändert sich die Protonenzahl, handelt es sich um ein anderes Element.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei einem neutralen Atom ist die Zahl der gleich der Protonenzahl. Nach einer Elektronenabgabe entsteht ein . Nach einer Elektronenaufnahme entsteht ein . Isotope desselben Elements haben eine gleiche , aber unterschiedliche Neutronenzahlen.
Wie Rutherford den kleinen Kern erkannte
Atome sind ungefähr von der Größenordnung $10^{-10}$ m. Der Kern ist im Vergleich dazu sehr klein. Diese Struktur lässt sich nicht direkt mit bloßem Auge beobachten, sondern wurde aus Experimenten erschlossen.
Beim Rutherford-Streuversuch wurde eine dünne Metallfolie mit positiv geladenen Alpha-Teilchen beschossen. Die meisten Teilchen durchquerten die Folie nahezu ungehindert. Nur wenige wurden stark abgelenkt oder sogar zurückgestreut.
Aus diesen Beobachtungen folgte:
- Die meisten Teilchen fliegen durch: Ein Atom besteht größtenteils aus einem räumlich ausgedehnten Bereich ohne massereiche Teilchen.
- Wenige Teilchen werden stark abgelenkt: Die positive Ladung und fast die gesamte Masse müssen in einem sehr kleinen Bereich konzentriert sein.
- Dieser kleine, positive und massereiche Bereich ist der Atomkern.
Ein seltenes, aber auffälliges Messergebnis kann entscheidend sein: Die wenigen starken Ablenkungen verrieten den kleinen Atomkern.
Was Atommodelle zeigen – und was nicht
Ein Modell hebt bestimmte Eigenschaften hervor und vereinfacht andere. Deshalb kann ein älteres Modell für eine Schulaufgabe nützlich sein, obwohl es nicht das heutige vollständige Bild liefert.
| Modell | Wofür es nützlich ist | Wichtige Grenze |
|---|---|---|
| Kern-Hülle-Modell nach Rutherford | zeigt kleinen positiven Kern und große Hülle | erklärt weder stabile Elektronenzustände noch diskrete Spektrallinien |
| Bohrsches Modell | ordnet Elektronen bestimmten Schalen und Energiezuständen zu | feste planetenartige Bahnen sind keine heutige Beschreibung des Elektrons |
| Schalen- oder Energiestufenmodell | vereinfacht Elektronenverteilung und Zusammenhänge im Periodensystem | reicht für kompliziertere Elektronenkonfigurationen nicht aus |
| Orbitalmodell | beschreibt bevorzugte Aufenthaltsräume und Wahrscheinlichkeiten | ist mathematisch anspruchsvoller und zeigt keine festen Flugbahnen |
Im Orbitalmodell ist ein Orbital ein Raum, in dem ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit gemessen werden kann. Es ist keine Kreisbahn. Das Betragsquadrat der Wellenfunktion liefert die Wahrscheinlichkeitsdichte für den möglichen Messort des Elektrons.
Schalen und Periodensystem verbinden
Im vereinfachten Schalenmodell heißen die Schalen von innen nach außen K-, L-, M- und N-Schale. Die innerste K-Schale wird zuerst besetzt.
Für die maximale Elektronenzahl einer Schale wird die Regel
$$N_{max}=2n^2$$
verwendet. Dabei ist $n$ die Nummer der Schale. Daraus folgen als Höchstwerte:
- K-Schale, $n=1$: 2 Elektronen
- L-Schale, $n=2$: 8 Elektronen
- M-Schale, $n=3$: 18 Elektronen
Die Zahl ist eine maximale Kapazität. Sie bedeutet nicht, dass eine Schale bei jedem betrachteten Atom vollständig besetzt sein muss.
In der vereinfachten Betrachtung der acht Hauptgruppen gilt:
- Die Periodennummer zeigt die Zahl der besetzten Schalen.
- Die Hauptgruppennummer zeigt die Zahl der Außenelektronen oder Valenzelektronen.
- Valenzelektronen beeinflussen chemische Bindungen und Reaktionen besonders stark.
Wasserstoff besitzt ein Elektron auf der K-Schale. Helium besitzt dort zwei Elektronen; damit ist die erste Schale vollständig besetzt. Beim Beginn der nächsten Periode wird eine neue Schale genutzt.
Bis zur dritten Periode ist diese vereinfachte Zuordnung besonders übersichtlich. Ab der vierten Periode treten Nebengruppenelemente auf. Dann genügt das einfache Schalenbild für die genaue Elektronenverteilung nicht mehr; dafür wird das Orbitalmodell benötigt.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Atomaufbau
- Atomkern
- Protonen bestimmen das Element
- Neutronen verändern das Isotop
- Elektronenhülle
- Elektronenzahl bestimmt Neutralität oder Ionenladung
- Valenzelektronen beeinflussen chemisches Verhalten
- Atommodelle
- Kern-Hülle-Modell erklärt Rutherford-Beobachtungen
- Schalenmodell ordnet Elektronen vereinfacht
- Orbitalmodell beschreibt Aufenthaltswahrscheinlichkeiten
- Atomkern
Abschluss-Check
Prüfe deinen Denkweg bei jeder Teilchenaufgabe in dieser Reihenfolge: Protonenzahl bestimmt das Element, Neutronenzahl bestimmt das Isotop, Elektronenzahl bestimmt die Ladung.