Sind alle gleichartigen Atome wirklich identisch? Oder sind sie nur grundsätzlich gleich aufgebaut?
Versteht man unter „gleichartigen Atomen“ alle, die zu einem chemischen Element gehören, also zum Beispiel alle Sauerstoffatome, dann lautet die Antwort nein: Nicht alle Sauerstoffatome sind identisch. Meint man damit aber alle Atome, die aus genau den gleichen Bausteinen aufgebaut sind, dann kann man sagen, dass alle gleichartigen Atome identisch sind.
Alle Atome bestehen aus den gleichen „Bausteinen“: aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Und alle Atome sind nach dem gleichen Schema aufgebaut: die elektrisch positiv geladenen Protonen und die ungeladenen Neutronen bilden den Atomkern. Die elektrisch negativ geladenen Elektronen sind in der Hülle untergebracht. Im „Normalfall“ hat ein Atom genauso viele Protonen wie Elektronen, es ist elektrisch neutral. Alle Atome, die gleich viele Protonen im Kern haben, bilden ein chemisches Element.
So verfügen beispielsweise alle Wasserstoffatome über genau ein Proton. Alle Kohlenstoffatome haben in ihrem Kern 12 Protonen, und bei Goldatomen sind es 79.
Allerdings können Atome mit gleich vielen Protonen unterschiedlich viele Neutronen im Kern haben. Man spricht dann von Isotopen. Wasserstoff zum Beispiel gibt es mit keinem, einem oder zwei Neutronen. Kohlenstoff kann sechs, sieben oder acht Neutronen im Kern haben. Solche Isotopen gehören dann zwar zum selben Element, wirklich identisch sind sie aber nicht.
Nur wenn man unter gleichartigen Atomen die Atome eines Isotops (mit jeweils gleich vielen Protonen, Neutronen und Elektronen) versteht, dann sind diese Isotopen tatsächlich identisch und damit ununterscheidbar.
Die Frage wurde beantwortet von Ursula Resch-Esser, Online-Redakteurin bei Wissenschaft im Dialog.
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.
Inhaltsverzeichnis
- Darstellung eines Atoms
- Die Masse eines Atoms
- Isotope
- Die Atomhülle
- Änderungen in der Außenschale
- Atome sichtbar machen
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
Überlege mit Hilfe von Abbildung 3, welche Aussagen zur Masse der Wasserstoff-Isotope getroffen werden können!
Bei den Wasserstoffisotopen ist der Unterschied in Bezug auf deren Massen erheblich! Deuterium ist doppelt so schwer wie Protium, Tritium ist sogar dreimal so schwer.
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:
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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 (RTM), kann man die Oberfläche von Feststoffen so genau abtasten, dass man dadurch ein Bild davon erhält.
Die Oberfläche von Grafit (atomare Auflösung).