Die drei Elementarteilchen – Bausteine der Atome

Atome bestehen aus genau drei verschiedenen Bausteinen. Fahre mit der Maus über die Kugeln (oder tippe sie an), um mehr zu erfahren:

↑ Mit der Maus über die Kugeln fahren (oder antippen)

Übersichtstabelle der Elementarteilchen

Ordnungszahl und Massenzahl

Die Ordnungszahl (auch: Kernladungszahl) gibt die Anzahl der Protonen im Atomkern an. Sie bestimmt die Stellung des Elements im Periodensystem. Im neutralen Atom gilt immer: Protonenzahl = Elektronenzahl.

Die Massenzahl ist die Summe aus Protonen und Neutronen:

Massenzahl = Anzahl der Protonen + Anzahl der Neutronen

Gesamtladung eines Teilchens berechnen

Die Gesamtladung ergibt sich durch einfaches Addieren aller Einzelladungen. Protonen (+1) und Elektronen (−1) werden gezählt, Neutronen (0) fallen dabei heraus.

Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen

Häufige Fragen – Elementarteilchen

Lernkarten – Elementarteilchen

Klicke auf eine Karte, um die Antwort zu sehen.

Weiter im Kapitel – Vom Atombau bis ZMK

← Kapitelübersicht → Atommodelle: Demokrit und Dalton

🔁 Grundlagen: Atommodell nach Dalton (Kl. 8)

2 Atommodelle:

Wiederholung aus der 8. Klasse: 

2.1 Demokrit:

Atome sind die kleinsten, unteilbare Einheiten

2.2 Dalton: Kugelteilchenmodell

• Atome = unveränderlich, unsichtbar und unzerstörbar
• Atome eines Elementes sind untereinander gleich
• Sie unterscheiden sich von den Atomen anderer Elemente in ihrer Masse
• Bei chemischen Reaktionen werden Atome nicht verändert, sondern miteinander verknüpft oder getrennt.

2.3 Rutherford: Kern-Hülle-Modell

Atome bestehen aus:

• sehr kleinen, positiv geladenen Kern
• negativekugelförmige Elektronenhülle
• die Elektronenbewegen sich mit hoher Geschwindigkeit um den Kern.
  
  Ein Atommodell, das zwischen Atomkern und Elektronenhülle unterscheidet, wird als Kern-Hülle-Modell bezeichnet.

Die Teilchen, aus denen ein Atom besteht, bezeichnet man als Elementarteilchen (Protonen, Neutronen und Elektronen). 

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⇒ Interaktive Übungsseiten zu Elementarteilchen und deren Anziehung oder Abstoßung. 

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2.3.1 Der Atomkern

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⇒ Interaktive Übungsseiten zum Atomkern und Atomhülle

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1. Der Atomkern ist aus Protonenund Neutronenaufgebaut.
2. Die Protonenzahlstimmt mit der Ordnungszahleines Elements und der Kernladungszahl überein.
   Bsp.: Fluor = ₉F: 9 Protonen: Ordnungszahl und Kernladungszahl = 9, Elektronenanzahl= 9.
3. Nukleonenzahl: Anzahl der Protonen+ Anzahl der Neutronen im Atomkern.
   Bsp: Die Nukleonenzahl von Fluor ¹⁹F ist 19 ⇒ 9 Protonenund 10 Neutronen
4. Massenzahl
   Die Atommasse ist angenähert die Summe der Protonen- und Neutronenmasse. Die Masse der Elektronenist außerordentlich klein.
5. Schreibweise

Na, alles verstanden? Hier gibt es einen Ausschnitt eines Übungsarbeitsblattes. Hinter dem Slider ist dann die Lösung: 

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2.4 Bohr – Schalenmodell der Elektronenhülle

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Link zur Übungsseiten zum Bohrsschen Schalenmodell (mit vielen Abbildung)

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a) Ionisierungsenergien eines Neon-Atoms

Man hat herausgefunden, dass wohl nicht alle Elektronen "gleich" in der Hülle "verteilt" sind. Mit Hilfe von einem Experiment, in dem man nach und nach alle Elektronen von einem Neon-Atom entfernt kann man es nachweisen. 

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Ionisierungsenergien eines Neon-Atoms [MJ/mol], also die Energie, die man benötigt um das Elektron zu entfernen. Durchnummeriert vom 1. Elektron bis zum 10. Elektron: 

1. e⁻ = 2,1 MJ/mol
2. e⁻ = 3,9 MJ/mol
3. e⁻ = 6,2 MJ/mol
4. e⁻ = 9,4 MJ/mol
5. e⁻ = 12,2 MJ/mol
6. e⁻ = 15,2 MJ/mol
7. e⁻ = 20,0MJ/mol
8. e⁻ = 23,0 MJ/mol
9. e⁻ = 115,0 MJ/mol
10. e⁻ = 130,0 MJ/mol

Beobachtung: Man benötigt immer mehr Energie, um das erste, zweite, dritte und die folgenden Elektronen vollständig abzutrennen.

Folgerung: Der verbleibende „Rumpf“ wird immer positiver und damit erfordert die Abrennung der folgenden Elektronen immer größere Energie.

Beobachtung: Man benötigt zur Abspaltung der beiden letzten Elektronen (z.B. im Vergleich zum drittletzten Elektron) besonders viel Energie.

Folgerung: Die Elektronen des Neons lassen sich in zwei Gruppen einteilen.

• Die zwei Elektronen mit großer Ionisierungsenergie sind im zeitlichen Mittel näher am Kern.
• Die acht Elektronen mit relativ kleinen Ionisierungsenergien sind im zeitlichen Mittel weiter vom Kern entfernt.

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b. Energiestufenschema (Neon-Atom)

Ein Neon-Atom könnte man mit der Elektronenverteilung wie folgt aufschreiben: 

c. Schalenmodell (Neon-Atoms)

Die Energiestufen lassen sich als konzentrischen Kugelschalen um den Kern veranschaulichen. Man erhält damit ein „Schalenmodell“ des Neonatoms (mit Lewis-Formel). Hinweis: Der Kern ist zusammengefasst. Eigentlich müsste man dort 10 Protonen und 10 Neutronen zeichnen, aber das macht die Sache nicht anschaulicher. Deshalb nur ein "Kern" mit der Ladung.

Die Elektronen sind verteilt "auf" den Schalen dargestellt, die kugelförmig den Bereich der Elektronenangeben. In der inneren Schale sind es zwei Elektronen in der äußeren Schale acht. 

Weitere Beispiele (Abbildungen aus der interaktiven Seite; ausführlichere Erklärungen siehe dort). 

Schalenmodell eines Aluminium-Atoms

Vergleich - Energiestufen vers. Schalenmodell eines Argon-Atoms

Atomschalen

d) Postulate (= Grundannahmen) von Niels Bohr: 

1. Die Elektronen bewegen sich nur auf ganz bestimmten, genau definierten Bahnen (= Energiestufen, Energieschalen, Schalen) um den Atomkern. Die Elektronen bewegen sich nicht zwischen dieser Energiestufen. 

2. Jede Schale kann maximal 2 n² Elektronen aufnehmen

n = Schalennummer
n = 1, 2, 3, 4,...
K, L, M, N,... Schale

3. Für jede Bahn, auf der das Elektron den Atomkern umkreist, hat das Elektron eine bestimmte Energie. Auf der K-Schale (n = 1), die dem Atomkern am nächsten ist, kommt dem Elektron die geringste Energie zu.

2.5 Das Kugelwolkenmodell, KWM

Das Bohrsche Atommodell kann schon viel erklären; allerdings gibt es ein weiteres Atommodell, in dem die Elektronen nochmals in bestimmte gedachten Aufenthaltswahrscheinlichkeitsräumen. Das sind keine echten Räume sondern Bereiche in denen mit hoher Wahrscheinlichkeit sich gerade ein Elektron bis maximal zwei Elektronen aufhält (es könnte aber gerade, wenn auch mit geringerer Wahrscheinlichkeit, außerhalb dieses Bereichs sich bewegen). 

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Anschaulicher findet es man auf den folgenden Seite mit Übungen

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• Das Kugelwolkenmodell ist ein vereinfachtes Orbitalmodell.
• Das Kugelwolkenmodell ist nur für Hauptgruppenelemente geeignet.
• Im Kugelwolkenmodell gelten die Heisenbergsche Unschärferelation, das Pauli-Prinzip und die Hundsche-Regel.

 Die Atome sehen nun etwas anders aus: 

2.5.1 Feinstruktur der Elektronenhülle

1. Heisenbergsche Unschärfebeziehung (1927)
Es ist nicht möglich, gleichzeitig den Ort, die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung eines Elektrons anzugeben.

2. Elektronenwolke („Kugelwolke“, Orbital)
Für die Elektronen der Atomhülle lassen sich somit keine Bahnen, sondern nur Aufenthaltsbereiche angeben. Im Kugelwolkenmodell betracht man diese Aufenthaltsräume für Elektronen als kugelförmig.

3. Pauli-Prinzip
In einer „Kugelwolke“ (Orbital) können sich maximal 2 Elektronen aufhalten, die sich in einer bestimmten Eigenschaft (Spin) unterscheiden.

4. Regel von Hund
Energiegleiche „Kugelwolken“ (Orbitale) werden zunächst einzeln mit Elektronen besetzt.

Am Beispiel von Sauerstoff: 

2.6 Das Periodensystem der Elemente (PSE) und die Atommodelle

Wer ein PSE benötigt, kann es z.B. hier downloaden. 

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Hier geht es zu einer interaktiven Übungsseite mit Bildern und weiteren Erklärungen

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1. Ordnungsprinzipien

1. Reihenfolge der Elemente beruht auf die Ordnungszahl (Kernladungszahl, Anzahl der Protonen, Anzahl der Elektronen) [früher: Atommasse]
2. Periode: (= Reihen) Anzahl der Schalen (Energieniveaus) eines Atoms. Bsp.:
   H, He ⇨ 1 Schale
   Li...Ne ⇨ 2 Schalen
3. Gruppen: (= Spalten): Elemente mit derselben Anzahl an Außenelektronen (Valenzelektronen) zusammengefasst.