Elemente und Moleküle, Schulbuch

10 1 Atombau und Periodensystem Schon im griechischen Altertum – ca. 400 v. Chr. – prägte der griechische Philosoph Demokrit den Begriff « atomos» – das Unteilbare. Er begründete damit die Vorstellung, dass die Materie aus kleinsten, nicht weiter teilbaren Einheiten – den Atomen – besteht. Seine Vorstellungen waren philosophischer Natur, naturwissenschaftliche Erkenntnisse standen nicht zur Verfügung. Nachdem die Philosophie Demokrits für etwa 2000 Jahre von anderen Vorstellungen verdrängt war, griff der Engländer John Dalton (1766–1844) zu Beginn des 19. Jahrhunderts die Atomhypothese wieder auf. Er erkannte, dass sich seine Beobachtungen über Massen- verhältnisse bei chemischen Reaktionen sehr gut mit der Vorstellung erklären ließen, die Materie bestehe aus unteilbaren kleinsten Einheiten. Jedem Element ordnete er ein bestimmtes Atom zu. Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Größe und Masse. Die Massenverhältnisse finden sich wieder in den Massenverhältnissen bei chemischen Vorgängen. Die Vorstellung von unteilbaren Atomen kam durch die Entdeckung der Radioaktivität 1896 durch den Franzosen Antoine Henri Bec- querel (1852–1908) ins Wanken. Radioaktive Strahlen sind Atombruchstücke. Daher können Atome nicht unteilbar sein. Bleiblock α -Strahler Goldfolie Film α -Strahlen etwa 500 nm – das sind ca. 2000 Gold-Atome α -Strahlen Goldfolie Elementar- teilchen PROTON NEUTRON ELEKTRON Massen- zahl absolute Masse Symbol Ladung in Elementar- ladungen absolute Ladung p + n e - 1 1 0 1,6726 • 10 –24 g 1,6749 • 10 –24 g 9,109 • 10 –28 g +1 0 –1 +1,602 • 10 –19 As –1,602 • 10 –19 As 0 Abb. 10.1: Grundversuch von Rutherford Abb. 10.2: Deutung des Versuchs von Rutherford Abb. 10.3: Symbole, Massen und Ladungen der 3 Elementarteilchen 1.1 DER AUFBAU DER AtOME Kern/Hülle • Kernbausteine • Ordnungszahl • Massenzahl • Elemente • Nuklide • Isotope Der Engländer Ernest Rutherford (1871–1937) entwickelte 1911 aus Beobachtungen wie der Ablenkung radioaktiver Strahlen beim Durchgang durch Materie das noch heute gültige Kern-Hülle-Modell. (Abb. 10.1 und 10.2) Demnach besteht ein Atom aus einem kompakten Kern, in dem fast die gesamte Atommasse vereinigt ist, und aus einer lockeren, diffusen Atomhülle. Durch die Entdeckung der Elementarteilchen in der Physik lässt sich dieses Modell heute sehr genau erklären. Die moderne Physik kennt eine große Zahl von Elementarteilchen, sodass es heute Theorien gibt, deren Ziel es ist, die Elementarteilchenvielfalt wieder zu reduzieren. Zur Erklärung eines für die Chemie ausreichenden Atommodells benötigt man aber nur drei dieser Teilchen: Proton , Neutron und Elektron . Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, den Nukleonen . In der Hülle halten sich die Elektronen auf. Protonen und Elektronen sind die Träger der elekt- rischen Elementarladung . Ihre Ladung beträgt 1,602 • 10 –19 As (C). Protonen sind positiv, Elektronen negativ geladen. Alle Ladungen von materiellen Teilchen können nur Vielfache dieser Elementarladung sein. Daher geht man von Elementarladungen von +1 bzw. –1 aus. Neutronen sind ungeladen. Bei elektrisch neutralen Atomen enthält der Kern gleich viele Protonen wie die Hülle Elektronen. Die Massen der Elementarteilchen sind in Abb. 10.3 angegeben. Protonen und Neu- tronen haben etwa die gleiche Masse. Die Elektronenmasse ist um ein Vielfaches geringer. Daher macht die Hüllenmasse nur etwa ein Viertausendstel der Gesamt- masse des Atoms aus und kann meist vernachlässigt werden. Der Atomkern ist also der Träger der Masse eines Atoms. Die Masse von Atomen kann heute mit Massenspektrografen genau bestimmt wer- den. (Abb. 11.1) Dazu werden geladene Atome bzw. Elementarteilchen in einem elektrischen Feld auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt und dann in einem weiteren elektrischen oder einem Magnetfeld durch eine normal zu ihrer Bewegungsrichtung wirkende Kraft abgelenkt. Je nach Masse beschreiben sie en- gere oder weitere Bahnkurven. Ihr Auftreffen wird registriert und der Ort des Auf - treffens ist ein genaues Maß für die Masse der Teilchen. 64bx4z Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv