Was ist ein Atom?

Was ist ein Atom? Übung

• Beschreibe den Aufbau eines Atoms.

  Tipps

  Atome sind elektrisch neutral.

  Ein Proton ist etwa 1836-mal schwerer als ein Elektron.

  Es gibt drei korrekte Antworten.

  Lösung

  Atome bestehen aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Die Protonen und die Neutronen befinden sich im Atomkern, der den größten Teil der Atommasse ausmacht. Die Elektronen befinden sich in der Atomschale, die den größten Teil des Atomvolumens ausmacht. Da die Elektronen aber wie der Kern nur ein sehr kleines Volumen innehaben, besteht das Atom hinsichtlich der Masse zum größten Teil aus leerem Raum.

  Elektronen tragen eine negative Ladung und Protonen eine positive, Neutronen sind elektrisch neutral. Die Anzahl der Protonen und der Elektronen eines Atoms ist immer gleich, deshalb ist auch jedes Atom insgesamt elektrisch neutral. Die Anzahl der Neutronen kann variieren. Für kleinere Atome ist sie aber meist etwa vergleichbar mit der Anzahl der Protonen.

• Gib die Elemente an.

  Tipps

  Die jeweilige Ordnungszahl der Atomkerne findest du oben links in den Kästchen.

  Lösung

  Die Identität jedes Elements wird durch die Anzahl der Protonen in seinem Atomkern bestimmt, die in den obigen Bildern rot dargestellt werden. Diese Anzahl wird auch Ordnungszahl genannt. Ein Atomkern enthält neben den Protonen auch eine Anzahl von Neutronen, die in den Bildern weiß dargestellt werden. Die Anzahl der Neutronen ist meistens fast die gleiche Anzahl wie die Protonen, allerdings kann die Anzahl der Neutronen in den Atomkernen eines Elements variieren.

  Bei den oben genannten Elementen steht die Ordnungszahl oben links von der chemischen Bezeichnung. Wasserstoff ist das einfachste Atom, da es nur ein einzelnes Proton im Kern besitzt und Helium besitzt zwei Protonen. Kohlenstoff besitzt sechs Protonen und Sauerstoff besitzt acht Protonen. Das radioaktive Uran hat schließlich den größten Kern der hier dargestellten Kerne mit 92 Protonen und 146 Neutronen.

• Bestimme die Eigenschaften der Elemente.

  Tipps

  Die Masse eines Neutrons (1 u) entspricht 0,000 000 000 000 000 000 000 0017 g.

  Zwei Heliumisotope.

  Lösung

  Die Elemente sind die einzigartigen Atome, aus denen unsere ganze Welt zusammengesetzt ist. Alle anderen Stoffe bestehen aus chemischen Verbindungen von Elementen. Wasser ist beispielsweise eine Verbindung aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.

  Die Elemente unterscheiden sich durch die Anzahl der Protonen in ihrem Atomkern, also durch die Ordnungszahl. Helium hat beispielsweise die Ordnungszahl 2 und Wasserstoff die Ordnungszahl 1. Das Element Schwefel hat die Ordnungszahl 16.

  Die Anzahl der Elektronen eines Atoms entspricht immer der Ordnungszahl. Wie viele Elektronen ein Atom besitzt, bestimmt aber, wie reaktionsfreudig es ist, also wie leicht es chemische Verbindungen mit anderen Atomen eingeht.

  Die Atommasse eines Atoms wird fast nur durch die Summe der Protonen und Neutronen im Atomkern bestimmt. Da die Elektronen etwa 1835-mal leichter sind als die Protonen, tragen sie kaum zur Atommasse bei. Protonen und Neutronen wiegen beide etwa 1u, was einer Masse von einem Quadrilliardstel Kilogramm entspricht. Dies ist eine Zahl mit 26 Nullen hinter dem Komma. Während die Anzahl der Protonen eines Elements durch die Ordnungszahl festgelegt ist, kann die Anzahl der Neutronen variieren. Bei zwei Atomen eines Elements mit unterschiedlich vielen Neutronen spricht man von Isotopen.

  Ein Schwefelatom besitzt neben seinen 16 Protonen meistens 16 Neutronen und hat die Atommasse 32u. Es gibt aber auch Schwefelisotope mit 17, 18 oder 19 Neutronen im Kern. Diese Atome haben dementsprechend die gleichen Eigenschaften wie der Schwefel mit 16 Neutronen, aber die Atommassen variieren zwischen 33u und 36u.

• Erschließe die Ordnungszahlen der Elemente im Periodensystem.

  Tipps

  Die Ordnungszahl findest du bei jedem Element oben links im Kasten.

  Die Ordnungszahl eines Elements ist die Anzahl der Protonen in seinem Atomkern.

  Lösung

  Im Periodensystem der Elemente ist jedes bekannte Element verzeichnet. Die Elemente sind dabei nach ihrer Ordnungszahl aufgelistet und das Periodensystem liest sich wie eine Tabelle, Zeile für Zeile von links nach rechts. In den meisten Periodensystemen ist nur die chemische Bezeichnung der Elemente eingetragen, die sich meist aus der lateinischen Bezeichnung ableiten. Fe kommt beispielsweise von Ferrum, was auf Latein Eisen bedeutet.

  Im Periodensystem findest du Eisen bei der 26. Position, es hat also die Ordnungszahl 26. Magnesium hat die Ordnungszahl 12, Silber die Ordnungszahl 47 und Gold schließlich die Ordnungszahl 79.

• Nenne die Eigenschaften der Atomteilchen.

  Tipps

  Neutronen und Protonen sind um ein Vielfaches schwerer als Elektronen.

  Der Atomkern, aber auch ein einzelnes Elektron sind im Vergleich zur Größe eines Atoms winzig.

  Elektronen sind negativ geladen.

  Lösung

  Ein Atom besteht aus dem Atomkern und der Atomhülle. Der Atomkern besteht aus den positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen. Insgesamt ist der Atomkern deshalb ebenfalls positiv. Da die Protonen und Neutronen jeweils um ein Vielfaches schwerer sind als die Elektronen, befindet sich auch fast die gesamte Atommasse im Atomkern.

  In der Atomhülle befinden sich die negativ geladenen Elektronen. Sie füllen allerdings nur einen sehr geringen Teil der Atomhülle aus, die deshalb zum größten Teil aus leerem Raum besteht.

• Bestimme die Anzahl der Atome.

  Tipps

  Bestimme zuerst die Masse eines Quarzmoleküls (2 Sauerstoffatome und ein Siliziumatom)

  Lösung

  Um das Gewicht eines Sandkorns zu bestimmen, ist es sehr hilfreich, erst das Gewicht eines Quarzmoleküls zu bestimmen. Da das Quarzmolekül aus einem Siliziumatom und zwei Sauerstoffatomen besteht, musst du einfach die Massen dieser drei Atome aufsummieren. So erhältst du folgende Masse:

  $m_{Quarz}=m_{Sauerstoff}+m_{Sauerstoff}+m_{Silizium}=16\text{ u}+16\text{ u}+28\text{ u}=60\text{ u}$

  In Milligramm umgerechnet beträgt diese Masse:

  $m_{Quarz}=60\text{ u}\frac{1,7\cdot 10^{-21}\text{ mg}}{1\text{ u}}=102\cdot 10^{-21}\text{ mg}=0.000 000 000 000 000 000 102\text{ mg}$

  Wenn du nun das Gesamtgewicht des Sandkorns durch das Gewicht eines Quarzmoleküls teilst, erhältst du die Anzahl der Moleküle. Multipliziere diese Zahl dann mit drei, um die Anzahl der Atome zu erhalten:

  $N=\frac{m_{Sandkorn}}{m_{Quarz}}\cdot 3=58823529300\cdot 10^{9}=58 823 529 300 \text{ Milliarden}$

  Ein Sandkorn enthält also demnach etwa 59 Trillionen Sauerstoff- und Siliziumatome.