Atommodelle und chemische Valenzen: Eine Übersicht

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Geschrieben am 26. Dezember 2025 in Deutsch mit einer Größe von 13,64 KB

Die Entwicklung der Atommodelle

Daltons Atomtheorie (ca. 1808)

Um 1808 definierte Dalton Atome als die konstituierende Einheit der Elemente (basierend auf den Vorstellungen der griechischen Atomisten). Die Grundgedanken seiner Theorie, veröffentlicht in den Jahren 1808 und 1810, lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Das Material besteht aus Partikeln, die zu klein sind, um gesehen zu werden: Atome.
Die Atome eines Elements sind in allen Eigenschaften, einschließlich des Gewichts, identisch.
Verschiedene Elemente bestehen aus verschiedenen Atomen.
Chemische Verbindungen entstehen durch die Kombination von zwei oder mehr Atomen der Elemente in einem Verbindungskorn, oder, was dasselbe ist, eine chemische Verbindung ist das Ergebnis der Kombination von zwei oder mehr Atomen der Elemente in einem einfachen Zahlenverhältnis.
Atome sind unteilbar und behalten ihre Eigenschaften bei chemischen Reaktionen.
In einer chemischen Reaktion kombinieren Atome in einfachen numerischen Proportionen.
Die Trennung und Vereinigung von Atomen findet in den chemischen Reaktionen statt. In diesen Reaktionen wird kein Atom geschaffen oder vernichtet, und Atome eines Elements werden nicht in Atome eines anderen Elements umgewandelt.

Obwohl Daltons Theorie in mehrfacher Hinsicht fehlerhaft war, stellte sie einen wichtigen qualitativen Fortschritt auf dem Weg zum Verständnis der Struktur der Materie dar. Die Akzeptanz des Modells von Dalton erfolgte natürlich nicht sofort; viele Wissenschaftler wehrten sich jahrelang gegen die Bestätigung der Existenz solcher Teilchen.

Zusätzlich zu den Postulaten verwendete Dalton verschiedene Symbole, um Atome und Atomverbindungen (Moleküle) darzustellen. Dalton machte jedoch keine Annahmen über die Struktur der Atome. Es dauerte fast ein Jahrhundert, bis jemand eine Theorie dazu aufstellte.

Chemische Gesetze im Einklang mit Daltons Theorie

Gesetz von der Erhaltung der Masse: Die Materie wird weder geschaffen noch zerstört, sondern nur umgewandelt.
Gesetz der konstanten Proportionen: Eine reine Verbindung enthält immer die gleichen Elemente, kombiniert im gleichen Massenverhältnis.
Gesetz der multiplen Proportionen: Wenn zwei Elemente A und B mehr als eine Verbindung bilden, stehen die Mengen von A, die sich mit einer festen Menge von B verbinden, in einem Verhältnis kleiner ganzer Zahlen.

Thomsons Plumpudding-Modell

Die Identifizierung und Charakterisierung der negativ geladenen subatomaren Teilchen, der Elektronen, durch J.J. Thomson beim Studium der Kathodenstrahlen, führte ihn dazu, ein Atommodell vorzuschlagen, um diese experimentellen Ergebnisse zu erklären. Dieses Modell ist informell als Plumpudding-Modell bekannt. Demnach sind die negativen Elektronen wie „Pflaumen“ in einem „Pudding“ aus positiver Materie eingebettet.

Rutherfords Atommodell (Kernmodell)

Basierend auf den Ergebnissen seiner Experimente zum Beschuss dünner Metallfolien etablierte Rutherford das sogenannte Rutherford-Atommodell oder nukleare Atommodell. Das Atom besteht demnach aus zwei Teilen: dem Kern und der Hülle.

Der Atomkern

Der Kern ist zentral und sehr klein.
Er enthält die gesamte positive Ladung und praktisch die gesamte Masse des Atoms.
Die positive Ladung des Kerns ist für die Ablenkung der Alpha-Teilchen (ebenfalls positiv geladen) im Goldfolienexperiment verantwortlich.

Die Atomhülle

Die Hülle ist fast leerer Raum, riesig im Verhältnis zur Größe des Kerns. Dies erklärt, warum die meisten Alpha-Teilchen die Goldfolie ungehindert passieren.
Hier befinden sich die Elektronen mit sehr kleiner Masse und negativer Ladung.
Ähnlich einem kleinen Sonnensystem umkreisen die Elektronen den Kern wie Planeten die Sonne. Die Elektronen sind durch die elektrische Anziehung zwischen den entgegengesetzten Ladungen an den Kern gebunden.

Bohrs Atommodell (1913)

Im Jahr 1913 veröffentlichte Bohr eine theoretische Erklärung für das atomare Wasserstoffspektrum. Basierend auf früheren Ideen von Max Planck, der im Jahr 1900 eine Theorie über die Diskontinuität der Energie (Quantentheorie) entwickelt hatte, postulierte Bohr, dass das Atom nur ganz bestimmte Energieniveaus einnehmen kann.

Daraus folgt:

Elektronen bewegen sich nur auf bestimmten Bahnen mit bestimmten Radien.
Diese Bahnen sind stationär, sodass die Elektronen keine Energie abstrahlen. Die kinetische Energie des Elektrons gleicht genau die elektrostatische Anziehung zwischen dem entgegengesetzt geladenen Kern und den Elektronen aus.
Das Elektron kann nur Energiewerte annehmen, die diesen Bahnen entsprechen.
Sprünge von Elektronen von höheren Energieniveaus zu niedrigeren oder umgekehrt stellen jeweils eine Emission oder Absorption elektromagnetischer Energie (Photonen) dar.

Allerdings war das Bohr-Modell nicht in der Lage, die Spektren komplexerer Atome zu erklären. Die Vorstellung, dass Elektronen den Atomkern in festen Bahnen umkreisen, musste verworfen werden. Neue Ideen für das Atom basieren auf der Quantenmechanik, zu deren Entwicklung Bohr beigetragen hat.

Wichtige chemische Gruppen und ihre Valenzen

Alkalimetalle (Gruppe 1)

Li (Lithium): Wertigkeit 1
Na (Natrium): Wertigkeit 1
K (Kalium): Wertigkeit 1
Rb (Rubidium): Wertigkeit 1
Cs (Cäsium): Wertigkeit 1
Fr (Francium): Wertigkeit 1

Erdalkalimetalle (Gruppe 2)

Be (Beryllium): Wertigkeit 2
Mg (Magnesium): Wertigkeit 2
Ca (Calcium): Wertigkeit 2
Sr (Strontium): Wertigkeit 2
Ba (Barium): Wertigkeit 2
Ra (Radium): Wertigkeit 2

Übergangsmetalle (Auswahl)

Ti (Titan): Valenzen 3, 4
Cr (Chrom): Valenzen 2, 3, 6
Mn (Mangan): Valenzen 2, 3, 4, 6, 7
Fe (Eisen): Valenzen 2, 3
Co (Kobalt): Valenzen 2, 3
Ni (Nickel): Valenzen 2, 3
Cu (Kupfer): Valenzen 1, 2
Zn (Zink): Wertigkeit 2
Pd (Palladium): Valenzen 2, 4
Ag (Silber): Wertigkeit 1
Cd (Cadmium): Wertigkeit 2
Pt (Platin): Valenzen 2, 4
Au (Gold): Valenzen 1, 3
Hg (Quecksilber): Valenzen 1, 2

Schwere Übergangsmetalle (Actinide)

U (Uran): Valenzen 3, 4, 5, 6
Pu (Plutonium): Valenzen 3, 4, 5, 6

Erd- oder Bor-Familie (Gruppe 13)

B (Bor): Valenzen 1, 3
Al (Aluminium): Wertigkeit 3
Ga (Gallium): Wertigkeit 3
In (Indium): Wertigkeit 3
Tl (Thallium): Wertigkeit 3

Kohlenstoff-Familie (Gruppe 14)

C (Kohlenstoff): Valenzen -4, 2, 4
Si (Silizium): Wertigkeit 4
Ge (Germanium): Wertigkeit 4
Sn (Zinn): Valenzen 2, 4
Pb (Blei): Valenzen 2, 4

Stickstoff-Familie (Gruppe 15)

N (Stickstoff): Valenzen -3, 3, 5
P (Phosphor): Valenzen -3, 3, 5
As (Arsen): Valenzen -3, 3, 5
Sb (Antimon): Valenzen -3, 3, 5
Bi (Wismut): Valenzen 3, 5