Die Entwicklung der Atomtheorie: Von Demokrit bis Chadwick

Antike Vorstellungen und die Erhaltung der Masse

Demokrit: Er postuliert die Existenz von Atomen. Die Materie ist diskret. Aristoteles leugnet die Existenz von Atomen und sagte, dass die Materie kontinuierlich sei.

Lavoisier (1777): Mit der Waage durch Wägung gemessen. Gesetz von der Erhaltung der Masse. Masse > Energie (E = m · c²) / Energie > Masse.

John Daltons Postulate (1808)

John Dalton postuliert:

1. Die Materie besteht aus Atomen als unzerstörbaren und unteilbaren Struktureinheiten.
2. Atome verschiedener Stoffe (Elemente) sind unterschiedlich.
3. Chemische Verbindungen bestehen aus verschiedenen Elementen in ganzzahligen und einfachen Proportionen (z. B. H₂O).
4. Bei chemischen Reaktionen bleibt die Masse erhalten.

Struktur des Atoms und das Elektron

Struktur des Atoms: Entdeckung des Elektromagnetismus und seine Charakterisierung (F, M).

• 1. Kathodenstrahlröhren (um 1800): Luft: Eine Mischung aus O₂, N₂, CO₂, Ar usw.
• E+ (Moleküle der Luft und Glas)
• E- + x > x*
• X+ > e- + x + sichtbares Licht

2. Thomsons Kathodenstrahlexperiment (1897):
a) Anwendung eines elektrischen Feldes.
b) Abwesenheit externer elektrischer oder magnetischer Felder.
c) Anwendung eines Magnetfeldes. Fluoreszenzanzeige (unter Punkt c).

Thomson (1897): Entdeckung negativ geladener Teilchen, genannt Elektronen. Bestimmung des Verhältnisses q_e-/m_e-. Nobelpreis 1906.

Millikan, das Mol und chemische Formeln

1908–1917 Robert Millikan: Charakterisierung des Elektrons, Bestimmung von Masse und Ladung (Öltröpfchenexperiment). Er berechnete die Ladung (q) der Öltröpfchen.

Mol: Stoffmenge, die 6,022 · 10²³ Teilchen entspricht.

Chemische Formel: Abgekürzter Ausdruck der Zusammensetzung eines Stoffes, qualitativ und quantitativ (z. B. NaCl, H₂O).

• Summenformel: Einfachster Ausdruck der Zusammensetzung eines Stoffes.
• Molekülformel: Tatsächliches Verhältnis, in dem sich Elemente zu einer Verbindung vereinigen.

Elementarteilchen und Radioaktivität

Mikroskopische Betrachtung

Die Ladung ist immer gleich oder ein Vielfaches von: 1,6 · 10^-19 Coulomb (Ladung eines Elektrons).

1896 Becquerel: Uranerz (Pechblende) emittiert spontan hochenenergetische Strahlung. Dies nannte man Radioaktivität.

Atommodelle von Thomson und Rutherford

1900 Thomsonsches Modell (Rosinenkuchenmodell): Eine kompakte, positiv geladene Kugel, in die Elektronen eingebettet sind.

1910 Rutherford (Streuversuch mit Teilchen):

• Teilchen werden umgeleitet > Abstoßung durch Zusammenstoß mit positiven elektrostatischen Ladungen.
• Der Großteil der Materie ist leerer Raum.
• Es gibt eine positive Ladung, die in einem Kern konzentriert ist.

Rutherfords Atommodell: Existenz eines positiv geladenen Kerns. Elektronen bewegen sich in großen Entfernungen um den Kern.

Protonen, Neutronen und Isotope

1919 Rutherford: Entdeckung der Protonen, Bestimmung von Masse (m) und Ladung (q).
1932 Chadwick: Entdeckung der Neutronen.

• Atomnummer (Ordnungszahl): Entspricht der Anzahl der Protonen (und der Elektronen im neutralen Atom). Bestimmt den Platz im Periodensystem.
• Massenzahl: Gesamtzahl der Protonen plus Neutronen.
• Atomgewicht: Gewichteter Durchschnitt aller Isotope.
• Isotope: Verschiedene Formen desselben Elements, die sich in ihrer Massenzahl unterscheiden.

Kritik an Dalton und limitierende Reagenzien

Kritik am Postulat von Dalton:

1. Das Atom besitzt Subatomarteilchen; es ist nicht gänzlich unteilbar.
2. Nicht alle Atome desselben Elements haben das gleiche Atomgewicht (Existenz von Isotopen).
3. Existenz nicht-stöchiometrischer Verbindungen.
4. Berücksichtigung relativistischer Bedingungen (nicht relevant unter normalen Laborbedingungen).

Limitierendes Reagenz: Die chemische Spezies, die in stöchiometrisch geringerem Maße vorliegt, kontrolliert und begrenzt den Verlauf der chemischen Reaktion.