Atomischer Aufbau
Atome sind die Grundbausteine von allem, was uns umgibt. Es gibt sie in verschiedenen Arten, die Elemente genannt werden, aber jedes Atom hat bestimmte gemeinsame Eigenschaften. Alle Atome haben einen dichten zentralen Kern, den Atomkern. Der Kern besteht aus zwei Arten von Teilchen: Protonen, die eine positive elektrische Ladung haben, und Neutronen, die keine Ladung haben. Alle Atome haben mindestens ein Proton in ihrem Kern, und die Anzahl der Protonen bestimmt, zu welcher Art von Element ein Atom gehört. Zum Beispiel hat ein Sauerstoffatom 8 Protonen. Wenn man die Protonenzahl dieses Atoms irgendwie auf 7 ändern könnte, auch wenn alles andere gleich bliebe, wäre es kein Sauerstoffatom mehr, sondern Stickstoff. Aus diesem Grund listen wir die verschiedenen Elemente nach ihrer Protonen- oder Ordnungszahl auf. Das Periodensystem der Elemente ist eine Tabelle aller bisher entdeckten Elemente, geordnet nach ihrer Ordnungszahl.
Zusätzlich zu Protonen und Neutronen besitzen alle Atome Elektronen, negativ geladene Teilchen, die sich im Raum um den positiv geladenen Kern herum bewegen. Elektronen werden in Zeichnungen meist viel kleiner dargestellt als Protonen oder Neutronen, weil ihre Masse so viel kleiner ist. Tatsächlich ist die Masse der Elektronen so gering, dass sie in der Masse eines Atoms nicht mitgezählt wird. Allerdings ist die Ladungsstärke eines einzelnen Elektrons gleich der eines einzelnen Protons, und trotz ihrer geringen Masse sind Elektronen wichtig für den Ladungsausgleich eines Atoms. Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, haben Atome immer die gleiche Anzahl von Elektronen wie Protonen; daher können Sie die Elektronenzahl finden, indem Sie die Ordnungszahl betrachten. Aber im Gegensatz zu den Protonen kann sich die Anzahl der Elektronen ändern, ohne dass dies einen Einfluss auf die Art des Atoms hat!
Wir wissen nun, wie man die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Elektronen für ein bestimmtes Atom herausfinden kann, aber was ist mit den Neutronen? Wie viele Neutronen haben die Atome eines bestimmten Elements? Sie ist NICHT immer identisch mit der Anzahl der Protonen und Elektronen. Zum Beispiel hat Wasserstoff ein Proton und ein Elektron, aber er hat überhaupt keine Neutronen! Wir bestimmen dies, indem wir uns die Atommasse ansehen. Obwohl ein Atom so klein ist, dass es fast eine Million braucht, damit Sie auch nur einen winzigen Punkt auf Ihrem Computerbildschirm sehen können, hat jedes winzige Atom definitiv eine Masse und nimmt Raum ein. Diese Masse kommt vom Atomkern. Jedes Proton und Neutron hat ungefähr die gleiche Masse, gemessen in Dalton oder atomaren Masseneinheiten (amus). Da die Maßeinheit durch ein Proton definiert ist, ist 1 Proton = 1 Neutron = 1 Dalton = 1 amu. Elektronen haben zwar eine gewisse Masse, aber sie ist fast 2000 Mal kleiner als die Masse eines Protons. Es gibt in keinem der uns bekannten Atome genügend Elektronen, um die Gesamtmasse zu beeinflussen; daher ist die Gesamtmasse gleich der Summe der Protonen und der Neutronen in einem Atom.
Da wir die Anzahl der Protonen und die Atommasse eines Atoms finden können, indem wir seine Elementinformationen im Periodensystem betrachten, können wir die Anzahl der Neutronen in diesem Atom berechnen, indem wir die Anzahl der Protonen von der Atommasse subtrahieren.
Wenn die Anzahl der Neutronen für einzelne Atome desselben Elements unterschiedlich ist, wird jedes Atom ein Isotop genannt. Wenn Sie ein Periodensystem lesen, ist die angegebene Atommasse die durchschnittliche Atommasse für alle in der Natur vorkommenden Isotope dieses Elements. Zum Beispiel hat Kohlenstoff eine Atommasse von 12,01 im Periodensystem. Kohlenstoff kann nicht 6,01 Neutronen haben, weil man nicht einen Teil eines Neutrons haben kann. Der Wert ist größer als 6, denn während die meisten Kohlenstoffatome 6 Neutronen haben, finden sich einige Kohlenstoffatome mit 7 Neutronen und andere mit 8 Neutronen. Für unsere Zwecke runden wir die Atommasse auf die nächste ganze Zahl, um die Anzahl der Neutronen zu berechnen.
Atomischer Aufbau
In diesem Video wird gezeigt, wie Atome und ihre Bestandteile zusammenarbeiten.
Valenz-Elektronen
Nachdem Sie nun die Gelegenheit hatten, mit Atomen im Allgemeinen zu arbeiten, lassen Sie uns ein wenig tiefer graben. Elektronen bleiben in einem Atom, weil sie von der positiven Ladung der Protonen angezogen werden, aber sie sind nicht so eng mit dem Atom verbunden wie Protonen oder Neutronen. Elektronen sind komplizierte Teilchen, weil sie in einem Atom sehr viel Platz einnehmen können, und dennoch sind sie an einen bestimmten Bereich innerhalb des Atoms gebunden. Obwohl die Zeichnungen, mit denen wir gearbeitet haben, den Kern als ein mittelgroßes, sichtbares Objekt in der Mitte eines Atoms zeigen, ist er in Wirklichkeit sehr winzig, und der größte Teil eines Atoms ist der Raum um den Kern, in dem sich die Elektronen bewegen.
Aufgrund ihrer gemeinsamen negativen Ladung stoßen sich die Elektronen gegenseitig ab, wenn sie sich zu nahe kommen. Zugleich werden die Elektronen von der positiven Ladung des Kerns angezogen. Die Details der Energie und Position der Elektronen können sehr kompliziert werden, aber wir werden uns nur auf das konzentrieren, was wir verstehen müssen, um die Moleküle des Lebens zu studieren.
Elektronen sind in Energieschalen (auch als Elektronenschalen bekannt) um den Atomkern herum angeordnet. Obwohl die Elektronen viel Platz haben, wollen sie alle möglichst nahe an der positiven Kernladung sein, die sie anzieht. Gleichzeitig stoßen sich die Elektronen aufgrund ihrer negativen Ladung gegenseitig ab, so dass immer nur einige wenige in die Nähe des Kerns gelangen können. Praktisch gesehen passen nur zwei Elektronen in den dreidimensionalen Raum, der dem Kern am nächsten ist. Dieser Raum wird die erste Energieschale genannt. Wenn es drei Elektronen in einem Atom gibt, werden die ersten beiden in der ersten Energieschale zu finden sein. Das dritte Elektron muss sich mit der zweiten Energieschale begnügen, einem dreidimensionalen Raum, der etwas weiter vom Kern entfernt ist, wo es allein ist. In diesem Beispiel wird das einsame Elektron als Valenzelektron bezeichnet, und die äußerste Energieschale, die irgendwelche Elektronen enthält, heißt Valenzschale.
Die zweite Energieschale ist groß genug, um bis zu acht Elektronen aufzunehmen, die paarweise in vier Elektronenorbitalen gruppiert sind, oder in Räumen, in denen Elektronen die meiste Zeit verbringen. Das bedeutet, wenn sich nur ein Elektron in der zweiten Energieschale befindet, bleibt viel zusätzlicher Platz übrig.
Wenn eine Energieschale unvollständig gefüllt ist, sind die Elektron(en) in dieser Schale nicht so stabil und reagieren eher. Aus diesem Grund neigen Atome dazu, mit anderen Atomen auf eine Weise zu reagieren, die ihre Valenzschale füllt oder leert, um die Stabilität einer vollen äußersten Energieschale zu erreichen. Atome können dies tun, indem sie Elektronen gewinnen oder verlieren, um zu Ionen zu werden, oder indem sie Elektronen mit anderen Atomen teilen, um stabile Verbindungen zu bilden.
Mit Hilfe der Elektronenzahl und der Energieschalen können wir die Anzahl der Valenzelektronen für jedes beliebige Atom und sein erwartetes Maß an Reaktivität bestimmen. Wenn Sie mit dem folgenden Beispiel arbeiten, sollten Sie daran denken, dass, obwohl wir die Energieschalen als Kreise um einen Atomkern zeichnen, dies nicht dazu gedacht ist, eine tatsächliche Elektronenbahn darzustellen. Die konzentrischen Kreise, in denen die Energieschalen gezeichnet werden, sollen den durchschnittlichen Abstand darstellen, den die Elektronen in dieser Energieschale um den Kern kreisen. In Wirklichkeit bewegen sich die Elektronen nicht auf einer kreisförmigen Bahn, wie in der Zeichnung dargestellt, sondern durchlaufen viel kompliziertere Bahnen um einen Atomkern.