Elektronen, Protonen und Neutronen
Alles besteht aus Atomen. Lange glaubte man, ein Atom könne man nicht teilen. Dann fanden Forscher kleinere Teilchen in seinem Inneren.
- Elektron (e⁻): 1897 von J. J. Thomson entdeckt. Ladung −1. Sehr leicht: etwa 1/1836 der Masse eines Protons. Es bewegt sich außerhalb des Kerns.
- Proton (p⁺): durch die Untersuchung von Kanalstrahlen gefunden (E. Goldstein, 1886). Ladung +1. Masse etwa 1 u.
- Neutron (n): 1932 von J. Chadwick entdeckt. Keine Ladung. Masse etwa 1 u, etwas mehr als ein Proton. Jedes Atom hat Neutronen, außer dem gewöhnlichen Wasserstoff.
Ein Atom hat genauso viele Protonen wie Elektronen. Die Ladungen + und − heben sich auf, deshalb hat das ganze Atom keine Ladung (es ist neutral).
Atommodelle: Thomson, Rutherford und Bohr
Thomsons Modell
Thomson sagte, das Atom sei eine Kugel aus positiver Ladung. Die Elektronen sitzen darin wie Kerne in einer Wassermelone. Positive und negative Ladung sind gleich groß, also ist das Atom neutral. Problem: Es konnte Rutherfords Ergebnis nicht erklären.
Rutherfords Alphateilchen-Versuch
Rutherford schoss schnelle Alphateilchen (Heliumkerne, Ladung +2) auf eine sehr dünne Goldfolie. Er beobachtete drei Dinge:
- Die meisten Alphateilchen flogen geradeaus hindurch. Also ist der größte Teil des Atoms leerer Raum.
- Einige wurden um kleine Winkel abgelenkt. Also gibt es im Atom positive Ladung, die sie abstößt.
- Ganz wenige (etwa 1 von 12.000) prallten direkt zurück. Also sitzen die gesamte positive Ladung und fast die ganze Masse in einem sehr kleinen Zentrum, dem Kern.
Sein Modell: ein winziger positiver Kern, um den die Elektronen kreisen wie Planeten um die Sonne. Der Kern ist etwa 100.000-mal kleiner als das Atom. Problem: Ein geladenes Teilchen, das sich im Kreis bewegt, müsste Energie verlieren und in den Kern stürzen. Dann wären Atome nicht stabil. Sie sind es aber.
Bohrs Modell
Niels Bohr löste dieses Problem. Er sagte, Elektronen können sich nur auf bestimmten festen Bahnen bewegen, den Schalen oder Energieniveaus. Solange ein Elektron auf einer Schale bleibt, verliert es keine Energie. Die Schalen heißen von innen nach außen K, L, M, N (oder n = 1, 2, 3, 4).
Schalen K, L, M, N: So sind die Elektronen angeordnet
Regeln für die ersten 20 Elemente (das Bohr-Bury-Schema):
- Die Schale n fasst höchstens 2n² Elektronen: K (n=1) = 2, L (n=2) = 8, M (n=3) = 18, N (n=4) = 32.
- Die äußerste Schale kann nicht mehr als 8 Elektronen halten.
- Innere Schalen werden zuerst gefüllt. Eine neue Schale beginnt erst, wenn die vorige voll ist (für die ersten 20 Elemente).
Beispiele: Kohlenstoff (6) = 2, 4. Natrium (11) = 2, 8, 1. Chlor (17) = 2, 8, 7. Calcium (20) = 2, 8, 8, 2. Öffne Schritt 4 im 3D-Modell und sieh zu, wie sich die Schalen von Natrium nacheinander füllen.
Wertigkeit, Ordnungszahl und Massenzahl
Wertigkeit (Valenz)
Die Elektronen in der äußersten Schale heißen Valenzelektronen. Atome möchten eine volle Außenschale haben (8, bei Helium 2). Das nennt man Oktett. Atome mit voller Außenschale, wie Neon und Argon, reagieren nicht, ihre Wertigkeit ist 0.
Wertigkeit = die Bindungsfähigkeit eines Atoms = wie viele Elektronen es abgibt, aufnimmt oder teilt, um eine volle Außenschale zu bekommen.
- Bei 1 bis 4 Außenelektronen: Wertigkeit = Zahl der Außenelektronen. Natrium (2, 8, 1) → 1. Magnesium (2, 8, 2) → 2.
- Bei 5 bis 7 Außenelektronen: Wertigkeit = 8 − Außenelektronen. Sauerstoff (2, 6) → 8 − 6 = 2. Chlor (2, 8, 7) → 1.
Ordnungszahl (Z)
Die Zahl der Protonen im Kern. Sie bestimmt das Element. Jedes Kohlenstoffatom hat Z = 6. In einem neutralen Atom gilt: Elektronen = Z.
Massenzahl (A)
Protonen und Neutronen zusammen heißen Nukleonen. Massenzahl = Protonen + Neutronen. Also gilt Neutronen = A − Z. Ein Atom schreiben wir als ₆¹²C: A oben, Z unten.
Isotope und Isobare
Isotope
Atome desselben Elements (gleiches Z) mit verschiedenen Massenzahlen (verschieden vielen Neutronen). Wasserstoff hat drei: Protium ¹H (0 Neutronen), Deuterium ²H (1 Neutron), Tritium ³H (2 Neutronen). Chlor hat ³⁵Cl und ³⁷Cl.
Isotope haben gleich viele Elektronen, also die gleichen chemischen Eigenschaften. Ihre Massen sind verschieden, deshalb unterscheiden sich einige physikalische Eigenschaften.
Warum hat Chlor die Masse 35,5 u? In der Natur sind etwa 3 von 4 Chloratomen ³⁵Cl und 1 von 4 ist ³⁷Cl. Mittelwert = 35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 u.
Verwendung: Uran-235 als Brennstoff in Kernreaktoren, Cobalt-60 gegen Krebs, Iod-131 gegen Kropf, Kohlenstoff-14 zur Altersbestimmung alter Dinge.
Isobare
Atome verschiedener Elemente (verschiedenes Z) mit der gleichen Massenzahl. Beispiel: ⁴⁰₁₈Ar und ⁴⁰₂₀Ca. Sie haben verschieden viele Elektronen, also verschiedene chemische Eigenschaften.
Probier es aus: Baue ein Atom zu Hause
Nimm kleine Dinge in drei Farben: rote Perlen (Protonen), schwarze Erbsen (Neutronen) und gelbe Körner (Elektronen). Zeichne drei Kreise auf Papier für K, L, M.
- Wähle ein Element, zum Beispiel Sauerstoff: Z = 8, A = 16.
- Lege 8 rote und 16 − 8 = 8 schwarze in die Mitte.
- Lege 8 gelbe auf die Kreise: 2 auf K, 6 auf L.
- Sage die Wertigkeit voraus (8 − 6 = 2). Prüfe sie jetzt im 3D-Modell: im letzten Schritt Sauerstoff-16 wählen.
Tausche dann 2 schwarze Erbsen gegen 2 weitere aus. Du hast ein Isotop gebaut! Das Element hat sich nicht geändert, weil die Zahl der roten gleich blieb.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Ordnungszahl Z = Zahl der Protonen = Zahl der Elektronen (neutrales Atom)
- Massenzahl A = Protonen + Neutronen
- Neutronen = A − Z
- Höchstzahl der Elektronen in Schale n = 2n² (K 2, L 8, M 18, N 32)
- Wertigkeit = Außenelektronen (bei 1–4) oder 8 − Außenelektronen (bei 5–7)
- Mittlere Atommasse = Summe aus (Isotopenmasse × Anteil)
Gelöste Beispiele
1. Ein Atom hat 9 Protonen und 10 Neutronen. Finde Z, A und die Zahl der Elektronen.
Schritt 1: Z = Protonen = 9. Schritt 2: A = 9 + 10 = 19. Schritt 3: Das Atom ist neutral, also Elektronen = 9. Es ist Fluor.
2. Schreibe die Elektronenverteilung von Sauerstoff (Z = 8) auf und finde seine Wertigkeit.
Schritt 1: K nimmt 2, übrig bleiben 6. Schritt 2: L nimmt 6. Also 2, 6. Schritt 3: Außenelektronen = 6, das ist mehr als 4. Wertigkeit = 8 − 6 = 2.
3. Magnesium hat Z = 12 und A = 24. Finde Neutronen, Verteilung und Wertigkeit.
Neutronen = 24 − 12 = 12. Verteilung: K 2, L 8, M 2 → 2, 8, 2. Außenelektronen = 2, also Wertigkeit = 2.
4. Chlor hat Z = 17. Warum ist seine Wertigkeit 1 und nicht 7?
Verteilung 2, 8, 7. Es braucht nur 1 Elektron mehr, um auf 8 zu kommen. 1 aufzunehmen ist leichter, als 7 abzugeben, also Wertigkeit = 8 − 7 = 1.
5. Welches Paar sind Isotope und welches Isobare? ¹²₆C, ¹⁴₆C, ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₂₀Ca.
¹²C und ¹⁴C: gleiches Z (6), verschiedenes A → Isotope. ⁴⁰Ar und ⁴⁰Ca: gleiches A (40), verschiedenes Z → Isobare.
6. Ein Element X hat zwei Isotope: ¹⁶X (90 %) und ¹⁸X (10 %). Finde seine mittlere Atommasse.
Mittelwert = 16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u.
7. Warum prallten in Rutherfords Versuch nur ganz wenige Alphateilchen zurück?
Nur ein Alphateilchen, das dem winzigen Kern sehr nahe kam, bekam von dessen positiver Ladung einen starken Stoß. Der Kern ist so klein, dass nur ganz wenige Teilchen so nah herankamen. Deshalb prallten nur ganz wenige zurück.
Häufige Fehler
- Ordnungszahl und Massenzahl verwechseln. Z zählt nur Protonen; A zählt Protonen und Neutronen.
- Die Wertigkeit von Chlor mit 7 angeben. Bei 5 bis 7 Außenelektronen gilt: Wertigkeit = 8 − Außenelektronen.
- Denken, Isotope hätten verschieden viele Protonen. Isotope unterscheiden sich nur in den Neutronen; Isobare unterscheiden sich in den Protonen.
- 18 Elektronen in die M-Schale von Kalium setzen. Bei den ersten 20 Elementen fasst die äußerste Schale höchstens 8, also ist Kalium 2, 8, 8, 1.