Atomaufbau

Das Atom ist der Grundbaustein aller festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe. In diesem Artikel erklären wir dir den Atomaufbau und welche Eigenschaften für ein Atom daraus resultieren.

Der Atomaufbau ist ein Teilgebiet der Kernphysik und wird im Fach Physik unterrichtet. 

Was ist ein Atom?

Ein Atom ist die kleinste Einheit eines chemischen Elementes und jedes Atom lässt sich einem chemischen Element zu weißen. Diese Atome unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften. 

Wie ist ein Atom aufgebaut?

Zur Zeiten der Namensgebung ging man davon aus, dass ein Atom nicht teilbar ist. Heutzutage unterteilt man ein Atom in den Atomkern und die Atomhülle.

Atomkern

Der Atomkern lässt sich in noch kleiner Teilchen unterteilen: den positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen. Wie du siehst ist der Atomkern positiv geladen. 

Die Protonen und Neutronen in einem Atomkern nennt man Nukleonen. Diese Nukleonen sind durch starke Wechselwirkungen aneinander gebunden.

Der Durchmesser des Atomkerns ist im Vergleich zur Atomhülle ein Zehn- bis Hunderttausendstel kleiner - und trotzdem enthält er über 99,9 Prozent der Atommasse.

Protonen

Die Anzahl der Protonen eines Atoms bleibt immer gleich. Sie bestimmt die Anzahl der Schalen der Atomhülle und das chemische Verhalten des Atoms. Die Anzahl der Protonen wird als Ordnungszahl Z im Periodensystem festgelegt. Alle Atome desselben Elements haben die gleiche Ordnungszahl.

Es gibt 118 bekannte chemische Elemente. Das Element mit der kleinsten Ordnungszahl besitzt nur ein Proton im Atomkern und ist dir als Wasserstoff bekannt (Z = 1). Das Atom mit den meisten Protonen ist Oganesson mit Z = 118. Im Periodensystem werden die Elemente mit aufsteigender Ordnungszahl in einer Tabelle angeordnet. 

Neutronen

Es ist möglich, dass sich die Neutronenzahl N in Atomen des gleichen Elements unterscheidet. Man spricht dann von einem Isotop des Elementes.

Aus der Ordnungszahl Z und der Neutronenzahl N ergibt dich die Massenzahl A.

Beispiel:

In der Abbildung siehst du das Wasserstoffatom (H) und seine zwei Isotope Deuterium und Tritium.

Bei der Schreibweiße 13H  ist die obere Zahl die Massenzahl A und die untere Zahl die Ordnungszahl Z (Anzahl der Protonen). Diese Schreibweiße ist universal und gilt für alle anderen Elemente und Isotope auch. 

In der Natur liegen die meisten Elemente als Mischung verschiedener Isotope vor. 

Abb. 1: Wasserstoff Atom mit seinen zwei Isotopen
(Quelle: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-58172-8_2)

Atomhülle

In der Atomhülle befinden sich die negativ geladenen Elektronen. Die Atomhülle bestimmt die Größe des Atoms.

Im Laufe der naturwissenschaftlichen Forschung wurden einige sehr unterschiedliche Atommodelle entworfen. Das heutzutage populärste und einfachste Atommodell ist das Bohrsche Atommodell. Bei diesem bewegen sich die Elektronen in Kreisbahnen um den Atomkern.

Oft wird auch von der „Elektronenwolke“ oder „Elektronenhülle“ gesprochen, wenn die Atomhülle gemeint ist.

Elektronen

Da die Atomhülle negativ und der Atomkern positiv geladen ist, ziehen sie sich gegenseitig elektrostatisch an.

In der Grundform gilt:

                                        Anzahl Protonen = Anzahl Elektronen

Das Atom ist also neutral und hat keine Ladung.

Es ist möglich, dass zusätzliche Elektronen vorhanden sind, dann ist das Atom negativ geladen. Fehlen hingegen Elektronen ist das Atom positiv geladen. Ein positiv oder negativ geladenes Atom nennt man Ion.

Beispiel:

Nehmen wir wieder unser Wasserstoffatom (H) zur Hilfe. Im neutralen Zustand hat es 1 Proton und 1 Elektron. Wird dem Wasserstoff Atom ein Elektron zugeführt spricht man von einem Hydrition und man schreibt . Wird dem Wasserstoffatom aber das Elektron entzogen erhält man ein Proton und man schreibt .

Abb. 3: Elektrische Landungen

Quelle:https://www.studimup-physik.de/themen/elektrizit%C3%A4tslehre-magnetismus/elektrische-ladungen/

Atommodelle

Wie vorhin schon kurz erwähnt gibt es verschieden Atommodelle. Wir wollen dir hier die zwei wichtigsten Atommodelle – das Bohrsche Schalenmodell und das Orbitalmodell - kurz und einfach erklären. 

Bohrsche Atommodell

Das Bohrsche Atommodell ist die Grundlage des Periodensystems und erklärt den Aufbau der Elektronenhülle. 

Beispiel: 

Du kannst dir das Ganze wie ein kleines Planetensystem vorstellen: Die Elektronen sind unsere Planeten, welche in festgelegten Kreisbahnen um den Atomkern - unsere Sonne - kreisen (die Größenverhältnisse stimmen hier natürlich nicht!). Es ist also nicht möglich, dass die Elektronen mit dem Atomkern in Berührung kommen.

Diese Kreisbahnen nennt man im Bohrschen Atommodell Schalen. Es gibt vier Schale, welche unterschiedlich viele Elektronen aufnehmen können.

    K-Schale: 2 Elektronen

    L-Schale: 8 Elektronen

    M-Schale: 18 Elektronen

    N-Schale: 32 Elektronen

Die K-Schale ist die dem Atomkern nächste Schale, die N-Schale die dem Atomkern am entfernteste Schale. Die K-Schale besitzt das niedrigste Energieniveau und je weiter man sich vom Atomkern entfernt, desto höher wird das Energieniveau. Elektronen bevorzugen immer den energieärmsten Zustand. Das heißt, sie versuchen immer zuerst die K-Schale zu besetzen. Erst wenn die K-Schale voll ist, wird die L-Schale besetzt (und so weiter).

Beispiel:

In der Abbildung siehst du das Chlor-Atom. Dieses hat 17 Protonen im Atomkern und 17 Elektronen in der Atomhülle. 

K-Schale: 2 Elektronen (voll besetzt)

L-Schale: 8 Elektronen (voll besetzt)

M-Schale: 7 Elektronen (11 Plätze noch übrig)

Die Elektronen auf der äußersten Schale nennt man Valenzelektronen. 

Orbitalmodell

Das Orbitalmodell ist ein quantenmechanischer Ansatz und ersetzt in größten Teilen das klassische Bohrsche Modell.

Im Orbitalmodell bewegen sich die Elektronen nicht auf einem festgelegten Radius um den Atomkern, sondern befinden sich in Orbitalen. Ein Orbital ist die räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons in der Nähe des Atomkerns. 

Das ist schwer vorzustellen. Veranschaulichen lassen sich die Orbitale durch die Oberfläche des kleinstmöglichen Volumens, indem sich das Elektron mit großer Wahrscheinlichkeit aufhält. Diese Körper entsprechen dann der ungefähren Größe und Form des Atoms.

Die obere Reihe gibt die Wahrscheinlichkeitsdichte der Orbitale an.

In der unteren Reihe siehst du die Isofläche. Die Isofläche umfasst das Volumens in dem sich das Elektron mit 90 % Wahrscheinlichkeit aufhält.

Abb.5: SEQ Abbildung
(Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Atomorbital#/media/Datei:AOs-3D-dots.png)

In der Abbildung sind die ersten beiden Schalen des Bohrschen Models im Orbitalmodell dargestellt.
Die K-Schale entspricht dem Energieniveau n=1 (das Orbital ganz links) und die L-Schale n=2 (Kasten). Die Anzahl der Orbitale pro Energieniveau (= Schale) ergibt sich aus . Für das zweite Energieniveau gibt es also  Orbitale. n wird auch Hauptquantenzahl genannt.

Aus Atomen werden Moleküle

Wenn zwei oder mehrere Atome eine chemische, kovalente Verbindung miteinander eingehen, entsteht ein Molekül. Dieses kann aus gleichen Atomen oder Atomen unterschiedlicher Elemente bestehen. 

Beispiel: 

Bekannte Moleküle aus gleichen Atomen sind zum Beispiel Sauerstoff () oder Ozon (). Wasser () hingegen besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.

Abbildung 6: Moleküle
(Quelle:https://www.blutwert.net/wiki/sauerstoff.php)

Die räumliche Anordnung der Atome entscheidet über die Materialeigenschaften eines Stoffes und auch wie es sich in einer chemischen Reaktion verhält. 

Atomaufbau – alles Wichtige auf einen Blick

• Ein Atom besteht aus einer Atomhülle und einem Atomkern.
• Der Atomkern bestimmt die Masse eines Atoms und enthält positive Protonen und Neutronen.
• Die Atomhülle ist keine starre Schale, sondern lässt sich am ehesten mit einer Wolke vergleichen, in der die negativen Elektronen sich bewegen.
• Ein Atom ist im Grundzustand nicht elektrisch geladen.
• Werden Elektronen hinzugeführt oder entfernt spricht man von Ionen. Diese können entweder positiv oder negativ geladen sein.
• Atome eines Elementes können eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen besitzen. Diese Atome fasst man unter Isotopen zusammen.
• Es gibt verschiedene Modelle um den Atomaufbau zu beschreiben. Die zwei gängigsten sind das Bohrsche Atommodell und das Orbitalmodell.
• Wenn zwei oder mehrere Atome eine kovalente Bindung eingehen, entsteht ein Moleküle.