Was ist ein Atom?
Ein Atom ist das kleinste Teilchen eines chemischen Elements, das noch die Eigenschaften dieses Elements besitzt. Atome sind unvorstellbar klein – ein menschliches Haar ist etwa eine Million Atome breit!
Das Atom besteht aus:
| Teilchen | Ort | Ladung | Masse (relativ) |
|---|---|---|---|
| Proton | Kern | positiv (+1) | 1 |
| Neutron | Kern | neutral (0) | 1 |
| Elektron | Hülle | negativ (-1) | ~1/1836 |
Die Anzahl der Protonen bestimmt, um welches Element es sich handelt. Wasserstoff (H) hat 1 Proton, Kohlenstoff (C) hat 6 Protonen, Gold (Au) hat 79 Protonen.
Aufbau des Atoms
Die Elektronen befinden sich in der Atomhülle, in bestimmten Schalen (Energieniveaus) um den Kern:
-
- Schale: max. 2 Elektronen
-
- Schale: max. 8 Elektronen
-
- Schale: max. 8 Elektronen (vereinfacht)
Beispiel: Natrium (Na, Ordnungszahl 11)
- Kernladungszahl: 11 Protonen
- 11 Elektronen in der Hülle: 2 – 8 – 1
- 12 Neutronen im Kern
Das neutrale Atom hat gleich viele Protonen wie Elektronen.
Isotope
Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenanzahl:
- Kohlenstoff-12 (C-12): 6 Protonen, 6 Neutronen
- Kohlenstoff-14 (C-14): 6 Protonen, 8 Neutronen (radioaktiv – wird für die radioaktive Datierung genutzt)
Ordnungszahl = Protonenzahl (steht oben im Periodensystem). Massenzahl = Protonen + Neutronen (steht unten als Atommasse, meist gerundet). Neutronen = Massenzahl − Ordnungszahl.
Moleküle und Verbindungen
Wenn Atome chemisch miteinander verbunden sind, bilden sie Moleküle oder Verbindungen:
| Formel | Name | Beschreibung |
|---|---|---|
| H₂ | Wasserstoff | 2 H-Atome |
| O₂ | Sauerstoff | 2 O-Atome |
| H₂O | Wasser | 2 H-Atome + 1 O-Atom |
| CO₂ | Kohlendioxid | 1 C-Atom + 2 O-Atome |
| NaCl | Natriumchlorid | 1 Na + 1 Cl (Salz) |
Elemente (H₂, O₂): Verbindung nur gleicher Atome. Verbindungen (H₂O, CO₂): Verbindung verschiedener Atome.
Ionen
Wenn Atome Elektronen abgeben oder aufnehmen, entstehen Ionen (geladene Teilchen):
- Gibt ein Atom Elektronen ab → Kation (positiv geladen): Na⁺
- Nimmt ein Atom Elektronen auf → Anion (negativ geladen): Cl⁻
Praxisbezug: Radioaktive Datierung mit Kohlenstoff-14
Archäologen nutzen das Isotop C-14 (Kohlenstoff-14, 6 Protonen, 8 Neutronen), um das Alter organischer Funde zu bestimmen. Lebende Organismen nehmen C-14 über Atmung und Nahrung auf und halten die Konzentration konstant. Nach dem Tod hört die Aufnahme auf und C-14 zerfällt radioaktiv mit einer Halbwertszeit von 5.730 Jahren. Durch Messung des verbliebenen C-14-Anteils können Wissenschaftler das Sterbealter auf wenige Jahrzehnte genau bestimmen. Diese Methode wurde 1949 von Willard Libby entwickelt, der dafür 1960 den Nobelpreis erhielt.
Praxisbezug: Kochsalz und Ionenbindung im Alltag
Natriumchlorid (NaCl) ist das bekannteste Beispiel für Ionenverbindungen. Natrium (Na, 11 Protonen) gibt sein äußerstes Elektron ab und wird zu Na⁺. Chlor (Cl, 17 Protonen) nimmt das Elektron auf und wird zu Cl⁻. Diese entgegengesetzt geladenen Ionen ziehen sich an und bilden ein Kristallgitter. Deshalb ist Salz fest und hat einen hohen Schmelzpunkt (801 °C). Wenn Salz in Wasser gelöst wird, trennen sich die Ionen — die Lösung leitet Strom. Entzierungsarbeiten von Straßen im Winter nutzen dieses Prinzip: Salz senkt den Gefrierpunkt von Wasser.
Praxisbezug: Halbleiter und Atomstruktur in der Computerindustrie
Silizium (Si, 14 Protonen, Elektronenkonfiguration 2-8-4) ist der wichtigste Halbleiter in der Computerindustrie. Mit 4 Außenelektronen kann Silizium kovalente Bindungen in alle 4 Richtungen eingehen und ein Kristallgitter bilden. Durch "Dotierung" (gezieltes Einbringen von Phosphor-Atomen mit 5 Außenelektronen oder Bor-Atomen mit 3) wird die Leitfähigkeit präzise gesteuert. Auf diese Weise entstehen Transistoren — Milliarden davon auf einem modernen Prozessor. Die Grundlage ist direkt die Elektronenkonfiguration der Atome.
Übungsaufgaben
Was bestimmt, um welches Element ein Atom handelt?
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Was sind Isotope?
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Was ist der Unterschied zwischen einem Atom, einem Molekül und einem Ion?