Aufbau der Atome

Atome sind die Grundbausteine der Materie. Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen, in der Hülle sind die Elektronen. Zur Darstellung des Atombaus dient das Schalenmodell.

Arbeitsmittel

Darstellung eines Atoms

Die Atome eines Elements haben die gleiche Anzahl an positiv geladenen Teilchen, Protonen (p+), im Kern. Die Anzahl der Protonen bezeichnet man als Ordnungszahl (OZ, Kernladungszahl). Neben den Protonen liegen auch ungeladene Neutronen (n0) im Kern vor. Diese beiden Kernteilchen werden als Nukleonen bezeichnet.

In der Hülle sind die negativ geladenen Elektronen (e-) eines Atoms in Schalen verteilt. Ein Atom ist nach außen hin elektrisch neutral (ungeladen), d. h. es hat genau so viele negativ geladene Elektronen in der Hülle wie positiv geladene Protonen im Kern.

Aufbau eines Atoms am Beispiel Kohlenstoff mit der Ordnungszahl 6. Kohlenstoff hat 6 Protonen im Kern und 6 Elektronen in der Hülle.

Verwende das Periodensystem der Elemente (PSE) und entscheide, welche Darstellungen stimmen!

Die Masse eines Atoms

Die Nukleonen (p+ und n0) machen die Hauptmasse eines Atome aus. Die Summe der Protonen und Neutronen in einem Atom wird als Massenzahl bezeichnet. Beispielsweise hat das Kohlenstoff-Atom in Abbildung 2 eine Massenzahl von 12. Man kann es auch mit folgender Schreibweise darstellen:

Massenzahl
Ordnungszahl
Elementsymbol, z. B. $$ \large \ce{ ^{12}_{6}C } $$ (Kohlenstoff-12).

Ein Kohlenstoff-Atom mit der Massenzahl 12

Ein Elektron ist etwa 2000-mal leichter als ein Proton bzw. ein Neutron. Elektronen tragen daher nur zu 0,1 Prozent zur Masse des Atoms bei. Deshalb entspricht die Massenzahl annähernd der atomaren Masse. Diese wird mit der atomaren Masseneinheit unit [u] angegeben (1 u = 1,66 ∙ 10-27 kg). Ein u entspricht der Masse eines Protons bzw. eines Neutrons (da diese fast gleich schwer sind). Daher hat das Kohlenstoff-Atom in Abb. 2 mit 6 Protonen und 6 Neutronen eine atomare Masse von 12 u.

Isotope

Die Anzahl der Neutronen im Kern kann variieren. Isotope sind Atome mit gleicher Protonenzahl (also Atome des gleichen Elements) aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen. Beispielsweise sind die natürlichen Kohlenstoff-Isotope $$ \large \ce{ ^{12}_{6}C } $$, $$ \large \ce{ ^{13}_{6}C } $$ und $$ \large \ce{ ^{14}_{6}C } $$.

Das Beispiel Wasserstoff zeigt, dass manche Isotope eine eigene Bezeichnung erhalten (Protium, Deuterium, Tritium).

Die Wasserstoff-Isotope Protium, Deuterium und Tritium

Die Atomhülle

Die Elektronen in den Schalen werden vom positiv geladenen Kern angezogen. Daher halten sie sich bevorzugt in dessen Nähe auf. In jeder Schale hat aber nur eine maximale Anzahl an Elektronen Platz:

  • 1. Schale (K-Schale):
    2 Elektronen
  • 2. Schale (L-Schale):
    8 Elektronen
  • 3. Schale (M-Schale):
    18 Elektronen
  • 4. Schale (N-Schale):
    32 Elektronen

Aufbau eines Natriumatoms

Baue mit dem Wissen über den Kern und die Hülle ein Stickstoff-Atom!

Änderungen in der Außenschale

Veränderungen in der Außenschale (Valenzschale) werden als chemische Reaktionen bezeichnet. Ein Beispiel dafür ist die Abgabe oder Aufnahme von Außenelektronen (Valenzelektronen). Dadurch entstehen geladene Atome, die man Ionen nennt. Bei der Abgabe von Elektronen entstehen positiv geladene Ionen (Kationen), bei der Aufnahme entstehen negativ geladene Ionen (Anionen).

Eselsbrücke:
Anion = negativ
Ka + ion

Natrium hat im ungeladenen Zustand ein Außenelektron. Wird dieses Elektron abgegeben, liegen in Summe 10 Elektronen und 11 Protonen vor. Dadurch entsteht ein einfach positiv geladenes Natrium-Ion (Na+).

Chlor hat im ungeladenen Zustand sieben Außenelektron. Nimmt das Atom ein Elektron auf, liegen in Summe 18 Elektronen und 17 Protonen vor. Dadurch entsteht ein einfach negativ geladenes Chlorid-Ion (Cl-).

Bildung von Natrium- und Chlorid-Ionen

Atome sichtbar machen

Die Informationen über den Aufbau eines Atoms wurden von verschiedenen Versuchen geliefert. Man kann aber den Bau der Atome nicht so einfach mit Hilfe eines Lichtmikroskops, das du aus Biologie kennst, betrachten. Mit ganz speziellen Geräten, sogenannten Rastertunnelmikroskopen (RTM), kann man die Oberfläche von Feststoffen so genau abtasten, dass man dadurch ein Bild davon erhält.

Die Oberfläche von Grafit (atomare Auflösung).
Die Oberfläche von Grafit (atomare Auflösung).
7. Aufbau der Atome
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