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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Ein einfaches Atommodell

Das Wort Atommodell ist zusammengesetzt aus Atom und Modell - klar eigentlich. Ehe wir uns dem Atombegriff widmen, lohnt es sich aber ein bisschen über das Wort Modell nachzudenken, denn ALLES, was ich auf dieser Seite beschreibe, ist nur ein Modell und demnach eigentlich nicht echt, nicht richtig, also falsch?

Das Modell

Wir alle kennen Modelle von Autos, von Flugzeugen und natürlich auch von Eisenbahnen und womöglich noch von anderen Dingen. Alle diese Modelle haben eine Gemeinsamkeit: Sie sind nicht die Sache selbst, sondern ein Modell von ihr Normalerweise kann man in einer Modelleisenbahn nicht mitfahren, in einem Modellauto nicht sitzen und mit einem Modellflugzeug keine Urlaubsreise antreten. Trotzdem kann sich jeder vorstellen, wie ein bestimmtes Auto aussieht, wenn er davon ein gut gemachtes Modell gesehen hat. Mit einem Modellflugzeug lassen sich die Flugeigenschaften ansatzweise simulieren und mit einem hinreichend detaillierten Schiffsmodell die Strömungswiderstände optimieren. Modelle haben also trotz ihrer "Fehlerhaftigkeit" einen praktischen Nutzen. Sie helfen uns, Eigenschaften der im Modell dargestellten Sache vorhersagen zu können. Trotzdem ist natürlich jedes Modell "nur" eine mehr oder weniger stark vereinfachte Abbildung der Wirklichkeit und manchmal auch ein großartig cooles Spielzeug.

Jedes Modell bildet die Wirklichkeit demnach falsch ab und alles im Folgenden zum Atom Gesagte ist somit falsch, da es sich nur auf die auf dieser Seite beschrieben Modellvorstellung bezieht. Es ist aber eine Vorstellung, die uns auf einfache Weise eine Vielzahl von Vorhersagen erlaubt und die deshalb sehr wertvoll ist.

Bei Atomen haben wir das besondere Problem, dass sie so klein sind. Selbst mit dem allerstärksten Lichtmikroskop der Welt kann man sie nicht sehen. Zwar gibt es bildgebende Verfahren, die Abbildungen nahezu einzelner Atome generieren aber diese Verfahren rechnen Messwerte in eine Bildschirmanzeige um. Wirklich "sehen" können wir einzelne Atome damit nicht. Atome haben also das besondere Problem, dass wir uns ein Bild von ihnen machen müssen, dass wir niemals wirklich mit der Realität vergleichen können - all unser Wissen über Atome stützt sich letztlich auf eine Fülle mehr oder weniger komplexer Modelle, von denen ich eines der Einfachsten im Folgenden beschreiben werde.

Daltons Atommodell

Die erste und eine der einfachsten bis heute einigermaßen gebräuchliche Vorstellung von Atomen geht auf den englischen Naturforscher John Dalton (1766-1844) zurück. In den Vorstellungen dieses Modells sind Atome winzig kleine, mit chemischen Mitteln unzerstörbare Kugeln.

Element und Verbindung

Alle Stoffe, auch die Gasförmigen, bestehen aus Atomen, aber es gibt weit weniger verschiedene Atome als Stoffe. Betrachtet man die verschiedenen Stoffe genauer, so findet man zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Stoffen: Elemente und Verbindungen.

Elemente

Elemente haben nicht mit der antiken Vorstellung von Feuer, Wasser, Erde, Luft zu tun - tatsächlich ist Feuer ja gar kein Stoff, Luft ein Gemisch mehrerer Gase und Erde - puuuh, nimm mal eine Hand voll Erde von zwei verschiedenen Orten im Garten und breite sie vor Dir aus. Du siehst nicht nur schon beim bloßen hingucken wahnsinnig viele verschiedene Stoffe, sondern vermutlich auch bereits, dass sich Deine beiden Erdproben unterscheiden. Erde ist also mehr als ein Stoff und regional sehr unterschiedlich und weit weg von dem, was wir heute "Element" nennen.

Ein Element im Sinne der moderenen Chemie ist ein Stoff, aus dem sich durch keinen Trick dieser Welt zwei verschiedene Stoffe machen lassen. Ein Element besteht aus nur einer Sorte Atome. Egal, was man mit diesem Stoff, dem Element, macht: Er besteht immer noch nur aus dieser einen Sorte Atome und bleibt dieser Stoff - zumindest in unserer schönen Modellwelt.

Verbindungen

Eine Verbindung ist auch ein(!) Stoff. Aber der Name sagt es schon: Er ist durch eine Verbindung mehrerer Elemente entstanden. Eine Verbindung besteht also nicht nur aus einer Sorte von Atomen, sondern aus mehreren, die aber fest miteinander verbunden sind.

Betrachten wir ein Beispiel. Kohlenstoff und Sauerstoff sind Elemente. Es gibt also Kohlenstoffatome und Du kennst den Stoff von der Grillkohle oder der Mine Deines Bleistifts. Sauerstoff kennst Du ebenfalls als den Bestandteil der Luft, den Du beim Atmen unbedingt brauchst. Es gibt Sauerstoffatome.

Es gibt aber keine Kohlenstoffdioxidatome. Stattdessen bildet sich z.B. beim Grillen aus den Kohlenstoffatomen der Kohle und den Sauerstoffatomen aus der Luft das Kohlenstoffdioxid. Bei der chemischen Reaktion zwischen dem Kohlenstoff und dem Sauerstoff wird nicht nur die Energie zum Grillen frei, sondern es entsteht auch eine feste Verbindung zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen. Immer zwei Sauerstoffatome verbinden sich dabei so fest mit einem Kohlenstoffatom, dass die Verbindung mit einfachen physikalischen Mitteln nicht mehr zu spalten ist.

Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlendioxid
Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlendioxid

Diese drei Atome haben zusammen ein neues Teilchen "gemacht", dass aus zwei verschiedenen Atomsorten besteht. Das neue Teilchen ist ausreichend stabil um die Basis eines eigenen Stoffes zu bilden. Trotzdem ist es nicht unzerstörbar. Mit chemischen Mitteln lassen sich aus Kohlenstoffdioxid wieder Kohlenstoff und Sauerstoff gewinnen. Kohlenstoffdioxid ist also eine Verbindung.

Atommodell

In Daltons Atommodell haben die Atome folgende Eigenschaften:

Der Nutzen dieses Modells

Vorhersagbarkeit

Mit diesem ziemlich einfachen Modell lässt sich so einiges anfangen. Betrachten wir nochmal die Reaktion zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff: Wenn man weiß, wie schwer Kohlenstoff- und Sauerstoffatome jeweils sind, lässt sich aus der obigen Abbildung genau vorhersagen, wie schwer das gebildete Kohlenstoffdioxid sein wird und auch, wie viel Sauerstoff man braucht. Da man natürlich inzwischen die Masse der Atome sehr genau gemessen hat, können wir diese Vorhersage treffen....

Aus 12 g Kohlenstoff werden mit 32 g Sauerstoff 44 g Kohlenstoffdioxid. Ein "normales" Grillen mit 3 kg Kohle erzeugt also:
12 g Kohle => 44 g Kohlenstoffdioxid | :12
1 g Kohle => 1/12 · 44 g Kohlenstoffdioxid | · 30000
3 kg Kohle => 3000/12 · 44 g = 11 kg Kohlenstoffdioxid
Entsprechend werden 8 kg Sauerstoff aus der Luft benötigt.

Natürlich sind solche Vorhersagen für alle chemischen Reaktionen möglich. Beispielsweise könnte man ausrechnen, wie viel Sauerstoff unser Körper braucht, um den Zucker aus einer Tüte Gummibärchen vollständig in Energie umzuwandeln. Man wüsste dann auch, wie viel Energie uns dadurch für den Sport zur Verfügung steht und wie viel Kohlenstoffdioxid wir ausatmen würden. Klar ist auch: Wenn wir das in kürzerer Zeit machen wollten, müssten wir mehr Energie umsetzen, uns also mehr anstrengen, und dabei dann auch mehr atmen - wir wären also außer Atem. Und natürlich könnte man auch ausrechnen, wie viel Fett sich aus dem Zucker bilden lässt, wenn wir eben keinen Sport machen.... aber wer will das schon wissen?

Tatsächlich lässt sich aber unser Energieumsatz durch die Menge des ausgeatmeten Kohlenstoffdioxids messen.

Gesetz von der Erhaltung der Masse

Mancher Leser wird dieses Gesetz im Chemieunterricht in lästigen Versuchen mit ungenauen Waagen selbst erkannt haben müssen - naja, meistens macht man irgendwas, wiegt etwas und die Ergebnisse sind so schlecht, dass der Lehrer am Ende sagt:" Wir nehmen mal an, wir hätten folgendes gemessen...."

Tatsächlich ist das "Gesetz von der Erhaltung der Masse" historisch genau durch solche Wiegeversuche gefunden worden und es war überraschend,denn....

Tatsächlich stimmt das aber alles nur vordergründig. Tatsächlich sind bei all diesen Betrachtungen alle Stoffe außer Acht gelassen worden, die gasförmig sind. Die scheinbaren Massenänderungen sind nur möglich, weil die gasförmigen Edukte oder Produkte nicht beachtet wurden. Tatsächlich ändert sich bei einer chemischen Reaktion niemals die Masse.

Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Gesamtmasse aller an der Reaktion beteiligten Stoffe gleich.

Mit Daltons Atomodell ist diese Beobachtung sehr leicht erklärbar. Wenn alle Atome erhalten bleiben und sich nicht verändern, kann sich auch die Gesamtmasse nicht ändern.

Gesetz von den konstanten Proportionen

Kernaussage dieses historisch durch wahnsinnig viele Experimente gefundenen "Gesetzes" ist, dass zwei Stoffe immer im gleichen Massenverhältnis miteinander reagieren. Nimmt man von einem Stoff mehr, bleibt es übrig und wenn man von dem anderen mehr nimmt, bleibt eben das übrig. Nur wenn die Ausgangsstoffe im genau passenden Verhältnis gemischt werden, gibt es keinen Rest.

Auch dieses Gesetz ist einfach zu verstehen. Betrachten wir wieder die Verbrennung von Kohle: Für jedes Kohlenstoffatom benötigt man genau zwei Sauerstoffatome. Nimmt man am Anfang mehr Sauerstoff, bleibt etwas übrig. Nimmt man zu wenig Sauerstoff, reicht es nicht für alle Kohlenstoffatome und es bleibt Kohlenstoff übrig.

Größe der Atome

Wie oben bereits gesagt, sind Atome wahnsinnig klein. Aber wie klein ist wahnsinnig klein? Die Antwort ist ziemlich einfach aber leider auch schwer vorstellbar. Atome haben einen Durchmesser zwischen 64 pm und und ca. 550 pm (Pikometer: 10-12m)

Die Größe der Atome
Strecke Anzahl Atome
1 m 10.000.000.000
1 mm 10.000.000
1 µm 10.000
1 nm 10
100 pm 1

Wenn Du Dir ein Geodreieck nimmst, dann siehst Du dort die Millmeter-Skala als kleinste Einteilung. Jeder Millimeter ist der tausendste Teil eines Meters. Wenn Du diesen Millimeter erneut in tausend Teile teilst, ist jeder von ihnen 1 µm groß. Wenn Du nun einen Mikrometer (1 µm) wieder in tausend Teile teilst, ist jeder dieser Teile 1 nm (Nanometer) groß und wenn Du jetzt diesen Nanometer in 10 Teile teilst, ist jeder dieser 10 Teile etwa so groß wie ein Atom, nämlich 100 pm.

Betrachtet man es etwas anders, so passen auf die Strecke eines Meters, also eines langen Schritts, etwa 10 Milliarden Atome nebeneinander. Würde man also für jeden Menschen auf der Erde ein Atom nehmen und alle Atome nebeneinander legen, wäre die Schlange weniger als 1 m lang!

Masse der Atome

Atome sind sehr klein, also sind sie wohl auch sehr leicht, richtiggehend unvorstellbar leicht. Würde man die Masse der Atome in einer der sonst üblichen Einheiten wie Kilogramm oder Gramm angeben, wären die Zahlenwerte sehr unhandlich klein. Aus diesem Grund hat man für die Atommasse eine eigene Einheit "erfunden" und sie unit, also "Einheit" genannt.

Die atomare Masseneinheit u

Als Basis der atomaren Masseneinheit wurde ursprünglich das leichteste Atom, das Wasserstoffatom, gewählt. Einst wurde festgelegt, dass ein Wasserstoffatom eine Masse von ein unit (1 u) haben soll. Später hat man die Definition von 1 u geändert und seither ist 1 u wie folgt definiert:

Ein Unit (1 u) ist 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C

In der Praxis hat sich durch diese Änderung fast nichts geändert und ein Wasserstoffatom wiegt immer noch etwa 1 u, nur eben nicht mehr ganz genau sondern nur fast genau. Ausgedrückt in der Basiseinheit der Masse, dem Kilogramm, ergibt sich:

1 u = 1,660 539 0666 · 10-27 kg bzw.
1 u = 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 660 kg

Das Mol und die molare Masse

Da die Masse der Atome so klein ist, enthält eine einigermaßen übliche Portion irgendeines Stoffes immer eine wahnsinnig große Anzahl Atome. Um die Zahlenwerte sowohl der Masse als auch der Atomanzahl handlicher zu gestalten, hat man sich eine weitere Einheit ausgedacht: Das Mol. 1 mol ist eine Anzahl, wie z.B. ein Dutzend allerdings ist 1 mol eine sehr große Zahl. Der Zahlenwert für 1 mol ist so gewählt, dass die Masse in Gramm von 1 mol Teilchen identisch ist mit dem Zahlenwert der Masse eines einzelnen Teilchens in der Einheit u.

1 mol = 6,022 140 76 &mid· 1023 Teilchen bzw.
1 mol = 602.214.076.000.000.000.000.000 Teilchen

1 mol sind also 602 Trilliarden abgezählte Teilchen, eine unvorstellbar große Zahl aber letztlich nur eine Anzahl wie 1 Dutzend nur eben viel größer.

Durch die Festlegung der Zahl wie oben beschrieben, ergibt sich, dass die Masse von 1 mol Teilchen, die molare Masse, den gleichen Zahlenwert hat, wie die Atommasse.

Einige molare Massen
Stoff Teilchenmasse molare Masse
Kohlenstoffdioxid 44 u 44 g/mol
Wasser 18 u 18 g/mol
Kochsalz 58,5 u 58,5 g/mol

Die EInheit g/mol ist dabei genau so zu lesen, wie die Einheit cent/Apfel. 40 cent/Apfel bedeutet, dass ein Apfel 40 cent kostet. 44 g/mol bedeutet in analoger Weise, dass 1 mol 44 g wiegt.Wie bei den Äpfeln lässt sich dann bei bekannter molarer Masse die Masse aus der Teilchenzahl oder die Teilchenzahl aus der Masse berechnen.