#005 - Das Atom

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Über Atome haben wir in den ersten vier Folgen schon viel gelernt. Wer wissen möchte, wie Atome entstanden sind, sollte sich unbedingt die zweite Folge mit dem Titel „Was sind Elemente“ anschauen.

Heute geht es aber ans Eingemachte.

Was wir bisher wissen:

• Atome sind sehr klein (zwischen 6 ·10^−11m und 5 ·10^−10m)
• Atome sind sehr leicht (Wasserstoffatom = 1,7 ·10⁻²⁷kg)
• Atome sind nach Außen elektrisch neutral
• Atome, die nicht neutral sind, nennt man Ionen
• Atome sind chemisch unteilbar

Außerdem sprach ich über Elektronen, Protonen und davon, dass der Austausch von Elektronen zwischen den Atomen für chemische Reaktionen verantwortlich ist.

Das Problem bei Atomen ist, dass man aufgrund ihrer geringen Größe nicht 100%ig weiß, wie sie tatsächlich aussehen. Das sichtbare Licht hat eine Wellenlänge von 380 bis 780 nm. Die Größe eines Atoms liegt bei ca. 1nm. Um aber etwas sehen zu können, muss das Objekt größer sein als die Wellenlänge von Licht.

Deshalb arbeitet man mit Atommodellen. Ein Modell ist dabei ein vereinfachtes Abbild der Wirklichkeit.

Bei Atomen gibt es zahlreiche Modelle, die aufgrund von Versuchen und Berechnungen immer weiter verfeinert wurden. In der „Chemie lernen“ Serie arbeiten wir mit dem Schalenmodell und später dem Orbitalmodell. In dieser Folge beschränke ich mich sogar ganz auf das Schalenmodell, weil man damit die wichtigsten Prinzipien von chemischen Reaktionen erklären kann.

Doch zunächst: Woraus besteht ein Atom?

Da es physikalisch teilbar ist, muss es ja aus weiteren Bestandteilen bestehen. Für ein handelsübliches Atom brauchen wir drei Bausteine.

• ein Proton
• ein Elektron
• ein Neutron

Protonen sind vergleichsweise schwer und haben eine positive Ladung. Elektronen sind sehr leicht und haben eine negative Ladung. Die Ladung eines Protons entspricht dabei immer der Ladung eines Elektrons. Merke: Ungleiche Ladungen ziehen sich immer an, gleiche Ladungen stoßen sich ab.

Die Neutronen sind in etwa so schwer wie Protonen, besitzen aber keine Ladung, sind also elektrisch neutral.

Jedes Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle, egal ob Wasserstoff oder Argon. Der Atomkern nimmt dabei den größten Anteil der Masse ein, nämlich mehr als 99,9%. Aufgrund dieser Feststellung und den genannten Eigenschaften der drei Bauteile können wir ihre Anordnung festlegen: Im Kern müssen sich Protonen und Neutronen befinden, die Hülle muss aus den Elektronen bestehen, sonst könnten sie nicht für die chemischen Reaktionen verantwortlich sein.

Nun haben wir aber einen Widerspruch: Wenn sich gleiche Ladungen abstoßen, dann müsste der Kern explodieren. Wenn ungleiche Ladungen sich anziehen, dann müssten die Elektronen in den Kern stürzen, schließlich ziehen sich positive und negative Ladungen an.

Zunächst zum Kern: Die Protonen und Neutronen nennt man zusammen auch Nukleonen. Die erste gute Nachricht ist: Das häufigste Element im Universum, nämlich das Wasserstoff, besitzt nur ein Proton und auch keine Neutronen. Deshalb nennt man ein Wasserstoff-Ion oft auch nur Proton. Das heißt: hier gibt es nichts, was sich gegenseitig im Kern abstoßen kann. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt die sogenannte Ordnungszahl im Periodensystem, worauf wir in der nächsten Folge eingehen. Atome können gleiche Protonenzahlen, aber unterschiedliche Neutronenzahlen haben. Diese Unterschiedlichen Atome nennt man Isotope. Verschiedene Isotope der gleichen Atomsorte haben aber die gleichen chemischen Eigenschaften.

Für den Erhalt und die Stabilität des Atomkerns ist die starke Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen verantwortlich. Während die positiv geladenen Protonen untereinander sowohl anziehende (starke Wechselwirkung) als auch abstoßende Kräfte (elektromagnetische Wechselwirkung) erfahren, tritt zwischen Neutronen untereinander und zwischen Neutronen und Protonen keine elektrostatische Kraft auf. Das heißt, dass in der Summe die starke Wechselwirkung deutlich überwiegt und die Atomkerne deshalb zusammen halten.

Warum das so ist, kann man erst verstehen, wenn man weiß, dass Protonen und Neutronen ebenfalls aus Teilchen bestehen, nämlich aus Elementarteilchen. Diese nennt man Quarks. Ein Proton besteht aus zwei up-Quarks und einem down-Quark, ein Neutron aus einem up-Quark und zwei down-Quarks. Wie das aber im Detail funktioniert, würde hier etwas zu weit führen. Wichtig ist: Die starke Wechselwirkung zwischen Neutronen und Protonen hält den Kern zusammen. Sie ist rund hundertmal stärker als die elektromagnetische Kraft.

Jetzt zum zweiten Problem. Warum stürzen die Elektronen nicht in den Kern? Elektronen sind durch die elektromagnetische Wechselwirkung an einen oder mehrere Atomkerne gebunden. Das Elektron ist das leichteste elektrisch geladene Elementarteilchen. Zur Erinnerung: Protonen und Neutronen bestehen aus den Elementarteilchen Quarks, das Elektron ist selbst ein Elementarteilchen.

Ein Atom ist 10 000 bis 100 000fach größer, als der Radius des Atomkerns. Hierzu gibt es mehrere Vergleiche, etwa das der Durchmesser so groß ist wie der Eiffelturm und der Atomkern wäre eine Kirsche. Oder der Kern wäre ein Reiskorn am Mittelkreis der Allianz-Arena in München und das Elektron würde auf den obersten Rängen kreisen. Wichtig zu wissen ist: Das Meiste an einem Atom ist leerer Raum und mehr als 99,9% der Masse liegen im Kern. Die Elektronen sind sehr weit von diesem Kern entfernt und bewegen sich dabei extrem schnell. Das Elektron eines Wasserstoff-Atoms hat zwar nur ein Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit, ist aber mit 2200 Kilometern pro Sekunde (7,92 Millionen Km/h) dennoch extrem schnell.

Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Protonen und Elektronen verhindert, dass sich die Elektronen vom Atom lösen. Warum die Elektronen aber nicht in den Kern stürzen, kann man nur richtig erklären, wenn man in die Quantenmechanik eintauchen. Stichwörter sind Unschärferelation und das Pauli-Prinzip. Das werden wir in einer späteren Folge machen, sobald wir ausführlich über das Orbital-Modell sprechen. Für die aktuelle Vorstellung – also dem Bild im Kopf - reicht es aber aus, wenn wir annehmen, dass die hohe Geschwindigkeit und der große Abstand zum Kern das „Abstürzen“ in den Kern verhindern. Da die Elektronen nicht strahlen, also keine Energie verlieren, bleiben die Kräfte ausgeglichen.

Wir wissen jetzt schon eine ganze Menge, aber wie ein Schalenmodell sieht es noch nicht aus und überhaupt: Warum brauchen wir ein Schalenmodell? Was ist das?

Das Schalenmodell besagt, dass es mehrere Kreisbahnen um den Kern gibt und sich auf jeder Kreisbahn eine bestimmte Anzahl Elektronen aufhalten können. Bei Wasserstoff und Helium ist es noch einfach: Hier bewegt sich das eine Elektron vom Wasserstoff und die zwei Elektronen vom Helium jeweils auf einer Bahn. Beim Lithium haben wir aber drei Elektronen und zwei Schalen. Es kann sich demnach nur eine bestimmte Anzahl an Elektronen auf einer Schale aufhalten.

Die Schalen eines Atoms nennt man K-, L-, M-, N-Schale und so weiter. Die Elektronen umkreisen den Kern auf diesen Quantenbahnen. K kann 2, L 8, M 18 und N 32 Elektronen aufnehmen. Die Formel hierfür lautet 2n². n steht hier für die Schalennummer. M beispielsweise ist die dritte Schale. 2*3² ergibt somit 18 Elektronen.

Die einzelnen Schalen werden dann noch in Orbitale unterteilt. Jedes Orbital steht für ein bestimmtes Energieniveau. Die Orbitale werden s, p, d und f genannt. Bei Atomen mit hoher Ordnungszahl gibt es sogar noch weitere Orbitale. Sobald wird beim Pauli-Prinzip sind, gehen wir näher darauf ein. Wichtig ist momentan nur, dass die Außenelektronen für die chemische Reaktionen verantwortlich sind. Diese Elektronen werden auch Valenzelektronen genannt.

In der nächsten Folge, wo es um das Periodensystem geht, werden die Schalen und Orbitale weiter thematisiert.

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