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Aufbau des Atoms

Ein Atom hat einen winzigen, schweren, positiven Kern aus Protonen und Neutronen. Die Elektronen bewegen sich auf festen Schalen K, L, M, N um ihn herum. Die Protonenzahl (Z) bestimmt das Element; Protonen plus Neutronen ergeben die Massenzahl (A). Die äußeren Elektronen bestimmen die Wertigkeit. Isotope haben dasselbe Z, Isobare dasselbe A.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Lerne die drei winzigen Teilchen kennen. Das rote Proton hat +1. Das graue Neutron hat keine Ladung. Das blaue Elektron hat −1 und ist extrem leicht.
  2. Thomsons Idee (1904): Das Atom ist eine positive Kugel. Die Elektronen stecken darin fest, wie Kerne in einer Wassermelone.
  3. Rutherford schoss Alphateilchen auf eine dünne Goldfolie. Die meisten flogen geradeaus. Wenige wurden abgelenkt. Ganz wenige prallten zurück. Also gibt es in der Mitte einen winzigen, schweren, positiven Kern.
  4. Bohrs Idee: Elektronen bewegen sich nur auf festen Schalen K, L, M. Sieh zu, wie sie sich füllen. Natrium hat 11 Elektronen: 2 in K, 8 in L, 1 in M.
  5. Schau dir die äußerste Schale an. Ihre Elektronen heißen Valenzelektronen. Natrium gibt sein 1 äußeres Elektron ab, deshalb ist seine Wertigkeit 1.
  6. Du bist dran! Wähle ein beliebiges Atom. Du siehst Protonen, Neutronen, Schalen und Wertigkeit Zeile für Zeile. Vergleiche Kohlenstoff-12 mit Kohlenstoff-14 (Isotope) und Argon-40 mit Calcium-40 (Isobare).

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Wenn das Elektron so leicht ist, warum ist es wichtig?

Seine Masse ist winzig, aber seine Ladung (−1) ist so groß wie die eines Protons. Elektronen bestimmen, wie sich ein Atom mit anderen Atomen verbindet.

Was war falsch an Thomsons Wassermelonen-Modell?

Wäre die positive Ladung verteilt, würden Alphateilchen nie zurückprallen. Rutherford sah aber, dass manche zurückprallen, also muss die positive Ladung in einem winzigen Kern gebündelt sein.

Warum flogen die meisten Alphateilchen einfach durch das Gold?

Weil der größte Teil eines Atoms leerer Raum ist. Der Kern ist etwa 100.000-mal kleiner als das Atom, deshalb kommen die meisten Teilchen ihm nie nahe.

Warum fallen Elektronen nicht in den Kern?

Bohr sagte, Elektronen bleiben auf festen Schalen, und auf einer Schale verlieren sie keine Energie. Sie bewegen sich also weiter und stürzen nicht hinein.

Warum ist die Wertigkeit von Chlor 1 und nicht 7?

Chlor ist 2, 8, 7. 1 Elektron aufzunehmen, um 8 zu erreichen, ist viel leichter, als 7 abzugeben. Also Wertigkeit = 8 − 7 = 1.

Wenn Isotope verschieden viele Neutronen haben, sind es dann verschiedene Elemente?

Nein. Das Element wird nur durch die Protonen (Z) bestimmt. Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 haben beide 6 Protonen, also sind beide Kohlenstoff. Probiere beide im letzten Schritt aus.

Warum ist die Atommasse von Chlor 35,5 und keine ganze Zahl?

Sie ist der Mittelwert seiner Isotope ³⁵Cl (etwa 75 %) und ³⁷Cl (etwa 25 %): 35 × 0.75 + 37 × 0.25 = 35.5.

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.

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:

  1. Die meisten Alphateilchen flogen geradeaus hindurch. Also ist der größte Teil des Atoms leerer Raum.
  2. Einige wurden um kleine Winkel abgelenkt. Also gibt es im Atom positive Ladung, die sie abstößt.
  3. 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):

  1. Die Schale n fasst höchstens 2n² Elektronen: K (n=1) = 2, L (n=2) = 8, M (n=3) = 18, N (n=4) = 32.
  2. Die äußerste Schale kann nicht mehr als 8 Elektronen halten.
  3. 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.

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.

  1. Wähle ein Element, zum Beispiel Sauerstoff: Z = 8, A = 16.
  2. Lege 8 rote und 16 − 8 = 8 schwarze in die Mitte.
  3. Lege 8 gelbe auf die Kreise: 2 auf K, 6 auf L.
  4. 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

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

Übungsquiz

1. Welches Teilchen hat keine Ladung?
2. In Rutherfords Versuch flogen die meisten Alphateilchen geradeaus hindurch. Das zeigt:
3. Die höchste Zahl an Elektronen in der M-Schale ist:
4. Die Wertigkeit von Schwefel (2, 8, 6) ist:
5. ⁴⁰Ar und ⁴⁰Ca sind:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Wie ist ein Atom aufgebaut?

Ein Atom hat einen winzigen positiven Kern aus Protonen und Neutronen. Die Elektronen bewegen sich auf festen Schalen K, L, M und N um ihn herum (Bohrsches Modell).

Was ist der Unterschied zwischen Isotopen und Isobaren?

Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Ordnungszahl, aber verschiedener Massenzahl. Isobare sind Atome verschiedener Elemente mit gleicher Massenzahl.

Wie findet man die Wertigkeit aus der Elektronenverteilung?

Zähle die Elektronen der äußersten Schale. Sind es 1 bis 4, ist diese Zahl die Wertigkeit. Sind es 5 bis 7, ist die Wertigkeit 8 minus diese Zahl. Eine volle Außenschale bedeutet Wertigkeit 0.

Wo das unterrichtet wird

Canada (Ontario)Grade 9C. Chemistry
NetherlandsVWO 3 (onderbouw)Substances and particles
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Substances and materials
NetherlandsVWO 4 (bovenbouw, 2e fase)Substances and materials
PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIInternal structure of matter
RomaniaClasa a IX-aThe electron shell of the atom
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Spain2º ESOMatter
Spain3º ESOMatter
Spain4º ESOMatter
Ukraine8 класStructure of the atom
Ukraine9 класAtomic and nuclear phenomena
CBSE (India)Class 9Matter – Its Nature and Behaviour
CBSE (India)Class 9Advanced Level (optional): Chemistry
England (GCSE, A level)Year 104.1 Atomic structure and the periodic table
England (GCSE, A level)Year 105.1 Atomic structure and the periodic table
England (GCSE, A level)Year 106.4 Atomic structure
England (GCSE, A level)Year 104.4 Atomic structure
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 9Matter
Japan高校1年Composition of substances
South Korea중학교 2학년Composition of matter
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 8Compounds and the nucleus-shell atom model
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Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Atomic structure and the periodic table
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Atomic structure and the periodic table
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Atoms
FranceTroisièmeMatter and its changes
FranceSecondeMatter
Russia8 классPeriodic law, atom, bonding
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Russia8 классElectric and magnetic phenomena
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia9 классQuantum phenomena
Russia9 классQuantum phenomena
China九年级(初三)U3 Composition of matter
China九年级(初三)Structure of matter (standard 1.3)

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