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Atombau im Detail
Solange man es nur mit Hauptgruppenelementen zu tun hat, sind die Regeln für die Besetzung der Schalen einfach. Sobald die Nebengruppenelemente mit ins Spiel kommen (also nach Element 20, Ca) wird es schwieriger. Auch wenn hier die weiteren Regeln erklärt werden, ist nur das Wissen um die Atomhülle bis zum Element Ca für den Test wichtig (also vor allem die 1. - 3. Periode).
Concept Map
Grundsätzlicher Aufbau des Atoms
Der Atomkern
- ist positiv geladen
- enthält Protonen (p+) mit posiver Ladung und der Masse 1 u
- enthält ungeladene Neutronen (n) der Masse 1 u1)
Die Atomhülle
- liegt um den Kern herum
- enthält die Elektronen (e-)
- Elektronen sind negativ geladen und praktisch ohne Masse (Masse: 0,005 u)
In der Atomhülle befinden sich genau so viele Elektronen, wie Protonen im Kern, damit das Atom nach außen neutral ist (keine Ladung zeigt).
PSE und Atomkern
Nach genauerer Untersuchung des Aufbaus der Atome konnte man dann feststellen, dass die Elemente, zeilenweise von links oben bis rechts unten gelesen, immer ein Proton mehr im Atomkern haben.
Daher gibt die Ordnungszahl des Elements im Periodensystem die Protonenzahl an.
Da fast alle Elemente verschieden Isotope besitzen (also Atomkerne mit gleicher Protonen- aber unterschiedlicher Neutronenzahl, damit unterschiedlicher Masse, s.u.) sind die angegebenen Massen nicht ganzzahlig - wie die Isotopzusammensetzung genau ist, kann man jedoch nicht berechnen sondern muss es nachschlagen. Man kann aber davon ausgehen, dass ein Element wie z.B. Phosphor mit einer Atommasse von 30,97 nahezu ausschließlich aus dem Isotop mit der 31 Kernteilchen besteht, hier also 15 Protonen und 16 Neutronen.
Um die Zusammensetzung des Atomkerns auch außerhalb des Periodensystems zu verdeutlichen, kann man die entsprechenden Zahlen an das Elementsymbol schreiben: die Ordnungszahl immer unten links, die Massenzahl (bzw. Kernteilchenzahl) immer oben links.
Bei Phosphor sähe das dann so aus:
Das „normale“ Kohlenstoff-Isotop wird dann als notiert (also ein Kern mit 6 Protonen und 6 Neutronen), das radioaktive Isotop als (also ein Kern mit 6 Protonen und 8 Neutronen).
Als letztes Beispiel der Wasserstoff: Dieses Element besteht aus den Isotopen , und , die Atomkerne bestehen also entweder aus nur einem Proton oder besitzen dazu noch ein oder zwei Neutronen.
Da Wasserstoff das Element mit der geringsten Masse ist, macht sich Massenunterschied der Isotope sogar in den chemischen Eigenschaften deutlich. Daher haben die drei Wasserstoffistope auch eigene Namen bekommen: Protium 11H oder H, Deuterium 21H oder D und Tritium 31H oder T. Die Wasserstoffatome sind zu 99,9855% das leichteste Isotop, also 11H, zu 0,0145% Deuterium und nur zu 10-15 das radioaktive Tritium-Isotop.2) Daher ist auch die mittlere Atommasse von Wasserstoff nahezu 1.
PSE und Atomhülle
Die Periode, in der ein Element steht, gibt an, wie viele Schalen die Hülle dieses Elements hat - Wasserstoff in der 1. Periode hat demnach nur eine Schale, Eisen in der 4. Periode hat dann 4 Schalen, und Uran in der 7. Periode hat also 7 Schalen.
Die Hauptgruppennummer (alte Zählung, I bis VIII) gibt an, wie viele Elektronen sich in der äußeren Schale des Elements befinden. Alkalimetalle haben demnach ein Außenelektron, Kohlenstoff hat 4, Halogene haben 7 Außenelektronen und die Edelgase ab Neon 8 (Helium ist hier die einzige Außnahme, da in der ersten Schale nur Platz für zwei Elektronen ist).
Den Atomkern genauer betrachtet
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Die Protonen tragen positive Ladung, bestimmen also die Ladung des Kerns und damit die Art des Elements (d.h. bei Atomen eines Elements muss die Anzahl der Protonen immer gleich sein). Die Neutronen werden als „Isoliermasse“ benötigt, damit sich die Protonen nicht abstoßen (gleichartige Ladungen stoßen sich ja bekanntlich ab).
Jedes Proton und jedes Neutron hat die Masse 1 u, die Atommasse erhält man also aus der Zahl der Protonen und Neutronen im Kern. Beispiel: Fluor (F) hat die Atommasse 19 u und 10 Neutronen, also muss der Kern noch 19-10 = 9 Protonen enthalten.
Wenn Protonen und Neutronen jeweils die Masse 1 u haben, und nur ganze Protonen und Neutronen existieren, können Atome auch nur ganzzahlige Massen haben. Sieht man im Periodensystem nach, muss man feststellen, dass bei den Atomen die Masse in der Regel als Dezimalzahl angegeben ist. Das kommt zum einen daher, dass die Neutronen und Protonen eben doch nicht exakt 1 u wiegen, zum anderen aber ergeben sich diese Massen vor allem daraus, dass bei den meisten Atomsorten die Anzahl der Neutronen nicht eindeutig festgelegt ist. Die Zahl der Neutronen kann etwas schwanken (in der Regel nur um ein bis zwei Neutronen). Die angegebenen Atommassen sind also in der Regel Durchschnittswerte, gebildet aus den Massen der einzelnen Isotope.
Teilweise ist der Kern mit einem Überschuss an Neutronen nicht mehr stabil, dann hat das Element ein radioaktives Isotop - Beispiel: 14C, das bei der Radiokarbonmethode zur Altersbestimmung eingesetzt wird.
Beispiel für Isotope
Chlor hat eine mittlere Atommasse von 35,5 u. Die Atomkerne des Chlors enthalten immer genau 17 Protonen (die Anzahl der Protonen bestimmt das Element). Würde ein Chloratom die Masse 35 u haben, müssten also noch 18 Neutronen vorhanden sein. Hätte das Chloratom die Masse 36 u, müssten noch 19 Neutronen vorhanden sein. Da die mittlere Atommasse des Chlors von 35,5 u genau zwischen diesen beiden Möglichkeiten liegt, könnte also die Hälfte der Chloratome einen Kern mit 17 Protonen und 18 Neutronen, die andere Hälfte der Chloratome einen Kern mit 17 Protonen und 19 Neutronen haben. Schlägt man nach, muss man feststellen, dass ein Chlor-Atom mit 19 Neutronen nicht existiert, wohl aber eines mit 20 Neutronen und der Masse 37 u. Um wieder auf die Durchschnittsmasse von 35,5 u zu kommen, müssen also auf jedes schwere Chloratom drei leichte kommen - damit haben 25% der Chloratome die Masse 37 u, 75% die Masse 35 u.
Die Atomhülle
Die Atomhülle enthält die Elektronen (von denen es in jedem Atom genau so viele wie Protonen gibt, damit das Atom elektrisch ungeladen ist). Die Elektronen sind in der Hülle geordnet verteilt, sie bilden sogenannte Schalen.4)
Je mehr Schalen ein Atom hat, desto größer wird sein Durchmesser - die Schalenanzahl nimmt also mit den Perioden zu. Da die Schalen auch immer größer werden, hat jede weitere Schale Platz für mehr Elektronen als die vorhergehende - wenn n die Schalennummer ist, dann haben auf einer Schale immer 2n² Elektronen Platz.
Periode | Anzahl der Schalen | Name der neuen Schale | max. Elektronen auf der neuen Schale | max. Elektronenanzahl insgesamt | höchste Elektronenzahl in der Periode (Edelgase) |
---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | K | 2 | 2 | 2 (He) |
2 | 2 | L | 8 | 10 | 10 (Ne) |
3 | 3 | M | 18 | 28 | 18 (Ar) |
4 | 4 | N | 32 | 60 | 36 (Kr) |
5 | 5 | O | 50 | 110 | 54 (Xe) |
6 | 6 | P | 72 | 182 | 86 (Rn) |
7 | 7 | Q | 98 | 280 | 118 (N.N.) |
Elektronen in der äußeren Schale
Elemente, die die gleiche Anzahl von Außenelektronen haben, sind chemisch ähnlich.
Da, bis auf die Edelmetalle, alle Nebengruppenelemente 2 Elektronen in der äußeren Schale haben unterscheiden sich die Nebengruppenelemente in ihren Reaktionen kaum.
Chemisch ähnliche Elemente stehen auch in den jeweiligen Hauptgruppen. Alle Elemente einer Hauptgruppe haben also gleich viele Außenelektronen - und zwar genau so viele, wie die Hauptgruppennummer angibt. Daher können höchtens 8 Außenelektronen vorhanden sein (wie bei den Edelgasen).
1. - 3. Periode, kein Problem
Die Atome der ersten Periode haben nur ein (H) Elektron bzw. zwei (He) Elektronen - diese haben auf der ersten Schale Platz.
Die Atome der zweiten Periode haben dann schon eine mit zwei Elektronen gefüllte erste Schale, die weiteren Elektronen kommen dann in die zweite Schale. Neon, als 10. Element, hat dann schließlich eine gefüllte zweite Schale mit acht Elektronen.
Die Atome der dritten Periode haben eine mit zwei Elektronen gefüllte erste Schale und eine mit acht Elektronen gefüllte zweite Schale, die weiteren Elektronen kommen in die dritte Schale. Argon, als 18. Element, hat dann eine dritte Schale mit acht Elektronen (die Schale selbst ist damit aber noch nicht „voll“).
4. Periode - es wird komplizierter
Die Atome der vierten Periode haben eine mit zwei Elektronen gefüllte erste Schale und eine mit acht Elektronen gefüllte zweite Schale und eine mit mindestens acht Elektronen gefüllte dritte Schale. Die weiteren Elektronen kommen bei den Hauptgruppenelementen, wie in der 1. bis 3. Periode, in die äußere Schale, in der vierten Periode also in die vierte Schale. Kalium (Element 19) hat dann also die Elektronenverteilung 2-8-8-1, Calcium (Element 20) die Elektronenverteilung 2-8-8-2. Gallium (Element 31) hat auf jeden Fall 2 Elektronen in der 1. Schale, 8 Elektronen in der 2. Schale, mindestens 8 Elektronen in der 3. Schale und 3 Elektronen in der 4. Schale (da es in den Hauptgruppen ein Element weiter von Calcium aus ist). Zusammen sind das dann schon 21 Elektronen - Gallium hat aber 31. Die übrigen 10 Elektronen füllen die dritte Schale auf - denn dort ist Platz für insgesamt 18 Elektronen.
Nebengruppenelemente
Alle Nebengruppenelement füllen also nicht die äußere Schale, sondern die Schale(n) darunter.
Beispiel - Elemente der 4. Periode
Element | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
K-Schale | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
L-Schale | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
M-Schale | 8 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | | 18 | 18 | 18 | 18 | 18 | 18 | 18 |
N-Schale | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
insgesamt | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 |
Gruppe | I | II | Nebengruppen | III | IV | V | VI | VII | VIII | |||||||||
(Hauptgrupen) | Edel- metalle |
Besonderheiten bei den äußeren Elektronen
Elektrostatik
Wird Kunststoff an Wolle oder Haaren gerieben, so werden Elektronen zwischen den Gegenständen übertragen, die aus der äußeren Hülle der Atome stammen. Effekt: Haare stehen zu Berge.
Stromleitung
Im Metall sind die Atomrümpfe (also Kern bis zweitäußerste Schale) fest angeordnet. Die Elektronen der äußersten Schale können zwischen den Atomrümpfen ausgetauscht werden, sind also frei beweglich, wodurch es zur Stromleitfähigkeit kommt.
Salzbildung
Geben Atome dauerhaft Elektronen der äußeren Schale ab, oder nehmen dauerhaft Elektronen auf, so bilden sich Ionen. Die Kombinationen aus Kationen (+) und Anionen (-) nennt man Salze.
Diese Elektronenübertragung kann durch große Energiezufuhr rückgängig gemacht werden.