Atombau/Ordnungszahl

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Elementarteilchen sind die Bausteine eines Atoms. Es gibt drei: Protonen (Masse 1 u, Ladung +1, im Kern), Neutronen (Masse 1 u, Ladung 0, im Kern) und Elektronen (Masse ≈ 0 u, Ladung −1, in der Elektronenhülle). Protonen und Neutronen heißen zusammen auch Nukleonen.

Die Kernladungszahl = Anzahl der Protonen im Kern = Ordnungszahl des Elements im Periodensystem. Die Massenzahl (= Nukleonenzahl) = Anzahl Protonen + Anzahl Neutronen. Beim Aluminium ²⁷₁₃Al: Kernladungszahl = Ordnungszahl = 13 (Protonen), Massenzahl = 27 (13 Protonen + 14 Neutronen).

Der Durchmesser der Atomhülle beträgt etwa 10 000-mal den Durchmesser des Atomkerns. Der Kern enthält fast die gesamte Masse des Atoms, aber fast kein Volumen. Die Hülle ist kein festes Objekt – sie ist lediglich der Bereich, in dem sich die Elektronen aufhalten. Der übrige Teil des Atoms ist „leer".

Auf sehr kurze Abstände wirkt die sogenannte starke Kernkraft (Kernbindungskraft), die stärker ist als die elektrische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Protonen. Neutronen helfen dabei, diese Kraft zu vermitteln und den Kern zusammenzuhalten. Die starke Kernkraft ist Thema der Physik – in der Chemie arbeiten wir vereinfachend mit dem Kern-Hülle-Modell.

Rutherford beschrieb erstmals den Aufbau aus Kern und Hülle. Niels Bohr erweiterte dieses Modell: Elektronen bewegen sich auf bestimmten Bahnen (Energiestufen, Schalen) um den Kern – man spricht vom Bohrschen Schalenmodell. Das modernste Modell für die Schule ist das Kugelwolkenmodell (KWM), das die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen beschreibt.

Ein Punkt (·) steht für ein einzelnes Elektron in einem einfach besetzten Orbital – dieses Elektron ist für eine chemische Bindung verfügbar. Ein Strich (–) steht für zwei Elektronen (ein Elektronenpaar) in einem doppelt besetzten Orbital – dieses Paar ist normalerweise nicht an Bindungen beteiligt (freies Elektronenpaar). Der Zusammenhang mit dem Kugelwolkenmodell: grüne Kugelwolke (einfach besetzt) → Punkt, rote Kugelwolke (doppelt besetzt) → Strich.

Schritt 1: Hauptgruppennummer ablesen = Anzahl der Valenzelektronen. Schritt 2: Die ersten 4 Elektronen auf die 4 Positionen (oben, rechts, unten, links) je einzeln verteilen (Hund'sche Regel → Punkte). Schritt 3: Vom 5. bis 8. Elektron beginnt die Doppelbesetzung der schon belegten Positionen (Punkte werden zu Strichen).

Nur die Elektronen der äußersten Schale (Valenzelektronen) nehmen an chemischen Reaktionen und Bindungen teil. Die Elektronen der inneren Schalen sind viel stärker an den Kern gebunden und stehen nicht für Bindungen zur Verfügung. Bei Kohlenstoff (Z=6) z. B.: 2 Elektronen der K-Schale werden nicht gezeichnet, nur die 4 Valenzelektronen der L-Schale.

Die Edelgasregel besagt: Atome streben einen Zustand mit 8 Valenzelektronen an (Ausnahme: H und He mit 2). In der Lewis-Formel bedeutet das: ein Atom ist „zufrieden", wenn es 4 Striche in seiner Lewis-Formel hat (= 8 Elektronen). Einzelne Elektronen (Punkte) können dazu mit anderen Atomen geteilt werden → chemische Bindung. Mehr dazu: → 3. Edelgasregel

Lewis-Formeln sind die Grundlage für das Verständnis chemischer Bindungen. Mit ihnen lässt sich vorhersagen: Wie viele Bindungen geht ein Atom ein? Welche Molekülstruktur entsteht? Wo sitzen freie Elektronenpaare (wichtig für die Molekülgeometrie, → VSEPR-Modell in der Kursstufe)? Außerdem zeigen sie direkt, welche Bindungspartner sich gegenseitig zur Edelgaskonfiguration vervollständigen.