Was unterscheidet ein Kohlenstoffatom von einem Natriumatom? Lerne Kern und Hülle kennen, bestimme die Teilchenzahlen und verstehe, was dir das Schalenmodell zeigt.
Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.
Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.
Ein Atom ist ein sehr kleiner Baustein eines chemischen Elements. Es besitzt einen winzigen Kern und eine viel größere Elektronenhülle. Drei Teilchenarten sind für den Einstieg wichtig:
Ort: im Kern.
Die Zahl der Protonen bestimmt, welches Element vorliegt.
Ort: im Kern.
Unterschiedliche Neutronenzahlen beim gleichen Element kennzeichnen Isotope.
Ort: in der Hülle.
Die Elektronenbilanz bestimmt zusammen mit der Protonenzahl die Gesamtladung.
Ausnahme Wasserstoff-1: Sein Kern enthält nur ein Proton und kein Neutron.
Protonen und Neutronen sind viel massereicher als Elektronen. Daher steckt fast die gesamte Masse eines Atoms im Kern. Der Kern ist jedoch im Vergleich zum gesamten Atom sehr klein. Unsere Zeichnungen vergrößern ihn stark, damit man ihn sehen und beschriften kann.
Die elektrische Ladung eines Protons und die eines Elektrons sind gleich groß, aber entgegengesetzt. Ein neutrales Atom besitzt gleich viele Protonen und Elektronen. „Neutral“ bedeutet also nicht, dass keine geladenen Teilchen vorhanden sind: Ihre Ladungen gleichen sich insgesamt aus.
Die Ordnungszahl Z gibt die Protonenzahl an. Sie legt das Element fest: Ein Kern mit sechs Protonen gehört zu Kohlenstoff, einer mit elf Protonen zu Natrium. Ändert sich die Protonenzahl, liegt ein anderes Element vor.
Die Massenzahl A zählt Protonen und Neutronen zusammen. Sie ist eine ganze Zahl ohne Einheit. Aus A und Z kannst du die Neutronenzahl N berechnen: N = A − Z. Die Elektronen zählen bei der Massenzahl nicht mit.
Bei der Bezeichnung „Natrium-23“ steht 23 für die Massenzahl. Das Elementsymbol Na und die Ordnungszahl 11 verraten die Protonenzahl. Die wissenschaftliche Nuklidschreibweise setzt die Massenzahl links oben und die Ordnungszahl links unten neben das Symbol.
Links oben: A = 23 → insgesamt 23 Protonen und Neutronen.
Links unten: Z = 11 → 11 Protonen.
Neutronen: N = 23 − 11 = 12.
Beim neutralen Atom kommen 11 Elektronen hinzu. Das kleine n im Teilchensymbol bezeichnet ein Neutron; das große N in der Rechnung die Neutronenzahl.
Wähle ein Atom. Lies zuerst die Protonen- und Neutronenzahl im Kern, dann die Elektronenzahl und die Verteilung auf die Schalen. Für alle gezeigten neutralen Atome gilt: Protonenzahl = Elektronenzahl.
Wasserstoff-1: 1 Protonen bestimmen das Element. 0 Neutronen ergeben zusammen mit den Protonen die Massenzahl 1. Das neutrale Atom hat 1 Elektronen. Die Ringe zeigen Schalen, keine beobachteten Flugbahnen.
Vorhersagen und überprüfen: Wechsle von Kohlenstoff-12 zu Kohlenstoff-14. Ändern sich auch die Elektronenzahl und die Schalenverteilung?
Nein. Beide neutralen Atome besitzen 6 Protonen und 6 Elektronen, verteilt als 2 | 4. Nur die Neutronenzahl steigt von 6 auf 8. Die Massenzahl steigt deshalb von 12 auf 14.
Vergleiche besonders Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14: Die Kernangabe ändert sich, die Elektronenverteilung bleibt gleich. Die Kreise und Abstände sind nicht maßstäblich; blaue Punkte stehen für Elektronen. Es werden neutrale Atome im Grundzustand dargestellt.
1. Element nachschlagen: Natrium hat das Symbol Na und die Ordnungszahl 11. Im Kern sitzen deshalb elf Protonen.
2. Neutronen berechnen: Die Massenzahl beträgt 23. Ziehe die Protonenzahl ab: N = 23 − 11 = 12. Der Kern enthält also zwölf Neutronen.
3. Elektronen bestimmen: Weil ein neutrales Atom gemeint ist, gehören elf Elektronen zur Hülle. Eine Ionenladung wurde nicht angegeben.
4. Auf Schalen verteilen: Im einfachen Modell liegen zwei Elektronen auf der ersten, acht auf der zweiten und eines auf der dritten Schale. Die Summe 2 + 8 + 1 = 11 dient als Kontrolle. Das einzelne Elektron der äußersten besetzten Schale heißt Außenelektron oder Valenzelektron.
Im Schalenmodell ordnen wir die Elektronen der Hülle verschiedenen Schalen zu. Die erste heißt K-Schale, die zweite L-Schale, die dritte M-Schale. Diese Einteilung hilft dir, die Elektronenverteilung und die Zahl der Außenelektronen zu beschreiben. Außenelektronen liegen auf der äußersten besetzten Schale und sind für viele chemische Reaktionen besonders wichtig.
Für die hier gezeigten neutralen Atome genügt die Verteilung von innen nach außen: zuerst höchstens zwei Elektronen in der ersten Schale, dann bis zu acht in der zweiten. Bei Natrium beginnt anschließend die dritte Schale. Chlor hat die Verteilung 2 | 8 | 7.
Die Grenze der Vereinfachung: Die dritte Schale kann grundsätzlich mehr als acht Elektronen aufnehmen. „2 | 8 | 8“ ist deshalb keine allgemeine Regel für alle Elemente. Bei schwereren Atomen muss man Unterschalen und deren energetische Reihenfolge berücksichtigen.
Die Ringe sind außerdem keine festen Kreisbahnen wie bei Planeten. Das genauere Orbitalmodell beschreibt mögliche Elektronenzustände und Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Wir lassen die Punkte bewusst nicht auf Kreisbahnen kreisen, damit das Modell nicht als echte Flugbahn missverstanden wird.
| Atom | Elektronen pro Schale | Außenelektronen |
|---|---|---|
| Kohlenstoff | 2 | 4 | 4 |
| Natrium | 2 | 8 | 1 | 1 |
| Chlor | 2 | 8 | 7 | 7 |
Eine Schale umfasst Elektronenzustände mit derselben Hauptquantenzahl. Das sind quantenmechanisch erlaubte Zustände, keine festen Kreisbahnen. Bei Atomen mit mehreren Elektronen muss man zusätzlich Unterschalen und ihre Energien berücksichtigen.
Isotope gehören zum selben Element und haben gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen. Kohlenstoff-12 besitzt sechs Protonen und sechs Neutronen. Kohlenstoff-14 besitzt ebenfalls sechs Protonen, aber acht Neutronen. Beide neutralen Atome haben sechs Elektronen und im einfachen Schalenmodell 2 | 4.
Ionen sind geladene Teilchen. Wenn ein Natriumatom ein Elektron abgibt, bleiben elf Protonen und nur zehn Elektronen: Das Ion trägt die Ladung +1 und wird Na⁺ geschrieben. Der Kern ändert sich bei dieser Elektronenabgabe nicht. Natrium bleibt Natrium.
Ein Elektron aufzunehmen macht ein Atom negativer, eines abzugeben positiver. Verwechsle das nicht mit einer Änderung der Protonenzahl. Die Bildung von Ionen und Ionenbindungen behandeln wir auf eigenen Seiten genauer.
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Proton
Ein Proton trägt positive Elementarladung; Elektronen sind negativ, Neutronen ungeladen.
In der Hülle
Die Elektronen bilden die Hülle. Protonen und Neutronen befinden sich im Kern.
Protonenzahl
Die Protonenzahl ist die Ordnungszahl und bestimmt die Elementzugehörigkeit.
6
Bei einem neutralen Atom gleichen sich positive und negative Ladungen aus.
Protonen und Neutronen
Die Massenzahl zählt die Kernteilchen; Elektronen werden dabei nicht mitgezählt.
Neutron
Das Neutron trägt keine elektrische Gesamtladung.
8
N = A − Z = 16 − 8 = 8.
12
Die Summe 2 + 8 + 2 ergibt zwölf Elektronen.
7
Außenelektronen sind die Elektronen der äußersten besetzten Schale.
Die Neutronenzahl
Die Neutronenzahlen sind 6 beziehungsweise 8. Es handelt sich um Isotope desselben Elements.
+1
Elf positive und zehn negative Elementarladungen ergeben insgesamt +1.
Ein einfach negativ geladenes Ion
Die zusätzliche negative Ladung führt zur Ladung −1; der Kern bleibt unverändert.
Positive und negative Ladungen gleichen sich aus
Ein neutrales Atom enthält geladene Teilchen, ihre Ladungssumme ist null.
Die Protonenzahl bleibt elf
Die Elementzugehörigkeit hängt von der Protonenzahl ab, nicht von der Elektronenabgabe.
Sie sind keine beobachteten festen Flugbahnen
Das Schalenmodell vereinfacht Elektronenzustände. Das genauere Orbitalmodell verwendet Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.
Sie kann grundsätzlich mehr aufnehmen; das einfache Modell hat Grenzen
Bei schwereren Atomen müssen Unterschalen und ihre energetische Reihenfolge berücksichtigt werden.
Er enthält ein Proton und kein Neutron
Wasserstoff-1 ist ein Beispiel für einen Atomkern ohne Neutron.
Sie gehören zu verschiedenen Elementen
Für dasselbe Element muss die Protonenzahl übereinstimmen. Gleiche Neutronenzahl genügt nicht.
Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.
Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.
Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.
Erst selbst lösen, dann die Lösung öffnen.
Acht Elektronen. Die positiven und negativen Ladungen gleichen sich aus.
N = 35 − 17 = 18 Neutronen.
Ihre Neutronenzahl: sechs beziehungsweise acht. Beide haben sechs Protonen.
Na⁺: elf Protonen und zehn Elektronen ergeben die Ladung +1.
Sieben; die Schalenbelegung ist 2 | 8 | 7.
Nein. Sie stellen Schalen im vereinfachten Modell dar. Das genauere Modell beschreibt Elektronenzustände mit Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.
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