Dalton's Atomtheorie: Grundlagen, Definitionen und moderne Erkenntnisse

Daltons Atomtheorie: Grundlagen und Annahmen

Daltons Hypothese beruhte auf folgenden Prämissen:

Die Elemente sind aus Atomen aufgebaut, die unabhängige, materielle, unveränderliche und unteilbare Teilchen sind.
Die Atome desselben Elements sind in ihrer Masse und anderen Eigenschaften gleich.
Atome verschiedener Elemente haben unterschiedliche Massen und Eigenschaften.
Verbindungen entstehen durch die Verbindung von Atomen verschiedener Elemente in einem einfachen, ganzzahligen Verhältnis.

Aus der Atomtheorie von Dalton lassen sich folgende Definitionen ableiten:

• Ein Atom ist das kleinste Teilchen eines Elements, das dessen Eigenschaften beibehält.
• Ein Element ist ein Stoff, der aus gleichen Atomen besteht.
• Eine Verbindung ist eine Substanz, die durch die Verbindung verschiedener Atome in einem bestimmten Verhältnis gebildet wird.

Struktur der Materie: Reinstoffe, Elemente und Verbindungen

Reine Stoffe weisen eine einheitliche Zusammensetzung auf und können nicht durch physikalische Methoden in andere Stoffe unterschiedlicher Klassen zerlegt werden.

Elemente sind reine Stoffe, die sich nicht durch normale chemische Prozesse in einfachere Stoffe zerlegen lassen.

Verbindungen sind reine Stoffe, die aus zwei oder mehr Elementen bestehen und durch chemische Verfahren in diese zerlegt werden können (z.B. Saccharose, Wasser).

Die Entdeckung subatomarer Teilchen

Die Elektrolyse ist ein Verfahren, bei dem durch Einwirkung von elektrischem Strom chemische Reaktionen erzeugt werden. Der Durchgang von elektrischem Strom durch wässrige Elektrolytlösungen ermöglicht die Bildung neuer Stoffe.

Die Kathode ist die negative Elektrode, die Anode ist die positive Elektrode.

Das Rutherford-Modell des Atoms

Rutherford entwickelte eine Reihe von Schlussfolgerungen:

• Materie ist fast vollständig leer, da die meisten Teilchen das Atom ohne Ablenkung durchdringen.
• Einige Partikel werden durch elektrostatische Abstoßung abgelenkt, was auf die Existenz positiver Ladungen hindeutet. Da dies selten vorkommt, müssen sich diese Ladungen auf engstem Raum im Inneren des Atoms befinden. Der Kern ist der positive Teil des Atoms und enthält den größten Teil der Masse.
• Rutherford postulierte die Existenz neutraler Teilchen im Kern, um die Instabilität durch Abstoßung zwischen Protonen zu vermeiden.
• Er schlug vor, dass sich Elektronen um den Kern bewegen müssen, so dass eine Rotation die elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen kompensiert, damit sie nicht in den Kern stürzen.

Einschränkungen des Rutherford-Modells

Das Modell hatte zwei wesentliche Einschränkungen:

• Es wurde angenommen, dass sich die Elektronen auf Bahnen um den Kern bewegen und der elektrischen Anziehungskraft des Kerns unterliegen. Nach der elektromagnetischen Theorie bedeutet dies, dass diese Elektronen ständig elektromagnetische Wellen abstrahlen und dabei kinetische Energie verlieren würden. Nach kurzer Zeit würden sie schließlich in den Kern stürzen, was aber nicht der Fall ist.
• Dieses Modell war nicht in der Lage, die Absorptions- oder Emissionslinien der Atomaren Spektren zu erklären, da es die Energie der Elektronen im Atom nicht quantifizieren konnte.

Dieses Modell wurde als Planetenmodell bezeichnet, da sich die Elektronen um den Kern bewegen wie Planeten um die Sonne.

Wichtige Definitionen in der Atomphysik

Atomnummer (Z): Die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms. Sie entspricht der Anzahl der Elektronen, wenn das Atom neutral ist.

Massenzahl (A): Die Summe der Protonen und Neutronen im Atomkern. Sie macht fast die gesamte Masse eines Atoms aus.

Isotope: Atome, die die gleiche Atomnummer, aber unterschiedliche Massenzahlen haben.

Elektromagnetische Strahlung: Besteht aus Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit (c) bewegen. Diese hängt mit der Wellenlänge (λ) und Frequenz (ν) zusammen: c = λ * ν

Berechnung der Atommasse

Atommasse (Element) = [A₁(%) + A₂(%) + A₃(%) + ... ] / 100

Wellenlänge, Frequenz und Periode

Wellenlänge (λ): Der Abstand zwischen zwei Maxima oder zwei aufeinanderfolgenden Minima einer Welle. λ = c / ν = c * T

Frequenz (ν): Die Anzahl der Schwingungen, die pro Zeiteinheit durch einen Punkt gehen. ν = 1 / T = c / λ

Periode (T): Die Zeit, die die Welle benötigt, um eine Wellenlänge zurückzulegen, d.h. die Zeit, die für eine Schwingung benötigt wird. T = 1 / ν = λ / c

Wellenzahl (k): Die Anzahl der Schwingungen pro Längeneinheit. k = 1 / λ = ν / c

Planck-Konstante und Energiequantisierung

Planck-Konstante (h): Ihre Annahme der Energiequantisierung besagt, dass jede Energie nur in bestimmten, diskreten Werten entsprechend der Frequenz der absorbierten oder emittierten Strahlung vorkommt. h ist eine charakteristische Konstante (Planck-Konstante) mit dem Wert h = 6,62 * 10^-34 Js. ΔE = h * ν

Elektronenvolt: Die Arbeit, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Potentialdifferenz von einem Volt verrichtet.

Absorptions- und Emissionsspektren

Absorptionsspektren: Wenn elektromagnetische Strahlung durch ein Gas geleitet wird, wird ein Teil des Lichts absorbiert, was im Spektrum als Absorptionslinien sichtbar wird.

Emissionsspektren: Wenn eine Substanz in Form eines Gases durch einen elektrischen Schlag angeregt wird, emittiert sie elektromagnetische Strahlung. Diese Strahlung kann analysiert werden und ergibt das Emissionsspektrum.

Chemische Bindungen: Electrovalenz, Kovalenz und Bindungsarten

Electrovalenz: Die Ionenladung eines Elements; Beispiel: e⁺ - ist die Electrovalenz.

Kovalenz: Die Anzahl der ungepaarten Elektronen; Beispiel: Br - 4s² p⁶

s p

Kovalenz = 1

Rydberg-Konstante

R = 1,097 * 10⁷ m^-1

Bindungsarten

Ionenbindung: Wenn sich ein Atom eines metallischen Elements mit einem Atom eines nichtmetallischen Elements verbindet, gibt das Metallatom ein Elektron an das Nichtmetallatom ab. Die gebildeten Ionen bilden gemeinsam ein Kristallgitter.

Kovalente Bindung: Die Verbindung von nichtmetallischen Atomen mit anderen nichtmetallischen Atomen oder Wasserstoffatomen. Austausch von Elektronen zwischen den Atomen in der Bindung. Sie bilden Moleküle oder Kristallgitter.

Metallische Bindung: Die Verbindung von Atomen metallischer Elemente. Die Elektronen gehören nicht zu den einzelnen Atomen, sondern sind für alle Atome in einem Kristallgitter verfügbar.

Das elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum umfasst die gesamte elektromagnetische Strahlung. Es besteht nicht nur aus den Wellen, die wir sensorisch wahrnehmen (Licht), sondern auch aus anderen Wellen wie Mikrowellen, Radiowellen, Infrarot-, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen (γ).