Von starren Kugeln zu wirbelnden Wolken – Atommodelle im Überblick

Von starren Kugeln zu wirbelnden Wolken – Atommodelle im Überblick Übung

• Stelle die geschichtliche Entwicklung zum heutigen Atommodell dar.

  Tipps

  Das Orbitalmodell basiert unter anderem auf dem Schalenmodell.

  Lösung

  Die Vorstellung, dass Materie aus Atomen zusammengesetzt ist, besteht schon seit der Antike, als die Philosophen Demokrit und Leukipp als erste den Grundgedanken ausformulierten:
  Wenn man Materie immer weiter zerteilt und zerkleinert, dann muss man irgendwann bei kleinsten Teilchen landen, die nicht weiter teilbar sind. Wie diese Atome aber genau aussehen und ob es sie wirklich gibt, das konnte lange niemand sagen.
  
  Im 19. und 20. Jahrhundert wurden durch Experimente und Berechnungen neue Erkenntnisse gewonnen und entscheidende Fortschritte gemacht, die zu den folgenden Modellen führten:

  • 1808: Dalton’sche Atomhypothese von John Dalton
  • 1903: Rosinenkuchenmodell von Joseph John Thomson
  • 1911: Kern-Hülle-Modell von Ernest Rutherford
  • 1913: Schalenmodell von Niels Bohr
  • ab 1923: Orbitalmodell, das auf allen vorherigen Modellen basiert und zusätzlich einige Erkenntnisse der Quantenmechanik berücksichtigt

• Begründe, wieso es bis heute immer wieder neue Modelle zur Atomvorstellung gibt.

  Tipps

  Es gibt zwei richtige Antworten.

  Lösung

  Du kennst sicherlich ein Modell einer Eisenbahn. Dieses Modell zeigt dir, wie eine Eisenbahn aufgebaut ist und wie sie funktioniert. Es hilft uns, die Grundprinzipien dieses Verkehrsmittels zu verstehen. Doch trotz aller Genauigkeit zeigt dieses Modell nicht die Realität: Es ermöglicht uns nicht, tatsächlich in einen Zug zu steigen und zu reisen. Ähnlich verhält es sich in der Welt der Chemie.

  Modelle im Bereich des Atomaufbaus dienen dazu, die komplexe Wirklichkeit zu vereinfachen und zu veranschaulichen. Sie helfen uns, die grundlegenden Strukturen und Eigenschaften von Atomen zu begreifen. Aber wie das Eisenbahnmodell zeigen auch chemische Modelle nicht die Realität, sondern vereinfachte Darstellungen, die für bestimmte Zwecke geeignet sind. Für die schulische Chemie kann beispielsweise das Schalenmodell ausreichen, da es bestimmte Grundkonzepte vermittelt.

  Durch Experimente und Berechnungen gewinnen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ständig neue Erkenntnisse, die zu neuen Modellen führen.

• Gib das Atommodell nach John Dalton wieder.

  Tipps

  Der Begriff „átomos“ kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet „unteilbar“.

  Ein Wasserstoffatom ist kleiner und leichter als ein Sauerstoffatom.

  Lösung

  Über 2 000 Jahre nach der ersten Atomvorstellung nach Leukipp und Demokrit griff der Chemiker John Dalton die Idee wieder auf – als Modellvorstellung:

  Laut Dalton bestehe jegliche Materie aus kleinen, kugelförmigen Teilchen. Sie heißen Atome. Diese sind unteilbar und damit auch unzerstörbar.

  Die Atome eines chemischen Elements sind alle gleich groß und gleich schwer, während sich die Atome verschiedener Elemente in Größe und Masse unterscheiden. Es gibt also verschiedene Atomsorten.

  Atome können sich chemisch verbinden und auch wieder trennen. Man spricht dann von Molekülen. So entsteht ein neuer Stoff aus den Atomen verschiedener Elemente: eine chemische Verbindung.

  Mit seinen Annahmen konnte Dalton einige wichtige Beobachtungen erklären, zum Beispiel dass in einer chemischen Verbindung die Bestandteile immer im gleichen, ganzzahligen Verhältnis vorliegen. Außerdem konnte er erklären, dass die Gesamtmasse der Stoffe vor und nach einer chemischen Reaktion stets gleich bleibt.

• Charakterisiere die verschiedenen Atommodelle.

  Tipps

  Jedem Atommodell werden eine Annahme sowie ein Wissenschaftler zugeordnet.

  Ein anderer Begriff für „Schalen“ ist „Bahnen“.

  Lösung

  Die Vorstellung, dass Materie aus Atomen zusammengesetzt ist, besteht schon seit der Antike. Aber erst im 19. und 20. Jahrhundert wurden durch Experimente und Berechnungen neue Erkenntnisse gewonnen und entscheidende Fortschritte gemacht.
  
  $\underline{\text{Rosinenkuchenmodell (1903)}}$

  • Der Physiker Joseph John Thomson konnte nachweisen, dass aus ungeladener Materie elektrisch negative Ladungsträger herausgelöst werden können – er entdeckte die Elektronen.
  • Ihm zufolge sind die Elektronen in den Atomen wie in eine weiche, positiv geladene Masse eingebettet.
  • Das Atom ist nach außen elektrisch neutral, da die Ladungen sich ausgleichen. Aber die Elektronen können eben auch herausgelöst werden.

  
  $\underline{\text{Kern-Hülle-Modell (1911)}}$

  • Ein Schüler von Thomson, Ernest Rutherford, beschoss in seinem berühmten Streuversuch eine dünne Goldfolie mit Helium-Ionen.
  • Da in seltenen Fällen eine starke Rückstreuung der Ionen auftrat, ging er davon aus, dass nahezu die gesamte Masse der einzelnen Goldatome auf sehr kleinem Raum konzentriert sein muss. Er entdeckte den Atomkern.
  • Die fast masselosen, aber negativ geladenen Elektronen kreisen in der ansonsten völlig leeren Atomhülle um den Kern.

  
  $\underline{\text{Schalenmodell (1913)}}$

  • Der dänische Physiker Niels Bohr ging der Frage nach, wie genau sich die Elektronen um den Kern herum bewegen.
  • Laut Bohr bewegen sich Elektronen auf festgelegten Bahnen um den Kern, auf denen sie sich in einem energetisch stabilen Zustand befinden.
  • Bohrs Schalenmodell deckt sich mit der Einteilung der Elemente in Perioden und Gruppen im Periodensystem und erklärt auch die unterschiedlichen Größen der Atome.

• Benenne die Abbildungen der Atommodelle.

  Tipps

  Das Rosinenkuchenmodell heißt so, weil in dem Modell die Elektronen in eine positiv geladene Masse eingebettet sind: wie Rosinen in einem Kuchen.

  Das Kern-Hülle-Modell sagt aus, dass sich die Protonen und Neutronen im Atomkern sowie dass sich die Elektronen in der Atomhülle befinden.

  Lösung

  Die Vorstellung, dass Materie aus Atomen zusammengesetzt ist, besteht schon seit der Antike. Aber erst im 19. und 20. Jahrhundert wurden aus Experimenten und Berechnungen neue Erkenntnisse gewonnen und entscheidende Fortschritte gemacht, die zu den folgenden Modellen führten:

  • 1808: Dalton’sche Atomhypothese von John Dalton
  • 1903: Rosinenkuchenmodell von Joseph John Thomson
  • 1911: Kern-Hülle-Modell von Ernest Rutherford
  • 1913: Schalenmodell von Niels Bohr
  • ab 1923: Orbitalmodell, das auf allen vorherigen Modellen basiert und zusätzlich einige Erkenntnisse der Quantenmechanik berücksichtigt

• Gib an, welche Aussagen das Orbitalmodell annimmt.

  Tipps

  Es gibt drei richtige Antworten.

  Lösung

  Die Vorstellung, dass Materie aus Atomen zusammengesetzt ist, besteht schon seit der Antike. Aber erst im 19. und 20. Jahrhundert wurden durch Experimente und Berechnungen neue Erkenntnisse gewonnen und entscheidende Fortschritte gemacht.

  Die Atommodelle von Dalton, Thomson, Rutherford und Bohr berücksichtigten jeweils neue Aspekte, die den Weg zum heutigen Orbitalmodell bereiteten. Zusätzlich berücksichtigt das Orbitalmodell einige Erkenntnisse der Quantenmechanik:

  • Elektronen sind nicht nur Teilchen, sondern haben auch Wellencharakter.
  • Das bedeutet, dass sie verschiedene Schwingungszustände einnehmen können.
  • Elektronen halten sich mit einer gewissen Aufenthaltswahrscheinlichkeit in bestimmten Bereichen auf. Ihr genauer Aufenthaltsort kann jedoch nicht exakt bestimmt werden kann.