Grundlagen der Atomphysik und chemischen Bindungen

Subatomare Teilchen

Proton: Positiv geladen (1,602 × 10^-19 C). Seine Masse (1,6724 × 10^-27 kg) ist etwa 1840-mal größer als die eines Elektrons.

Elektron: Elektrisch negativ geladen. Seine Masse beträgt ca. 0,000548 Dalton.

Neutron: Elektrisch neutral. Seine Masse (1,675 × 10^-27 kg) ist fast gleich der Masse des Protons.

Das Konzept des Mols

Das Mol ist ein praktisches Mittel zur Verwaltung der großen Zahl an Teilchen, die an einer chemischen Reaktion beteiligt sind. Wenn zwei Stoffmengen die gleiche Anzahl an Atomen oder Molekülen haben, stehen ihre Massen im gleichen Verhältnis wie ihre jeweiligen Atom- oder Molekularmassen. Das Mol ist die Einheit der Stoffmenge. Man spricht von der Avogadro-Zahl (Anzahl der Atome in 12 Gramm des Isotops C-12). Die Atommasse wird als molare Masse in Gramm pro Mol (g/mol) ausgedrückt.

Orbitale und Quantenzahlen

Ein Orbital ist die Region oder der Raum, in dem die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron zu finden, bei etwa 95 % bis 99 % liegt. Die Energie wird durch folgende Parameter bestimmt:

• Hauptquantenzahl (n): Werte 1, 2, 3, 4... repräsentiert das tatsächliche Volumen des Elektrons.
• Nebenquantenzahl (l): Ganzzahlige Werte von 0 bis n-1. Die Buchstaben s, p, d, f repräsentieren die Gestalt der Region, in der sich das Elektron bewegt.
• Magnetquantenzahl (m): Werte von -l bis +l (einschließlich 0). Bestimmt die räumliche Ausrichtung eines Orbitals.
• Spinquantenzahl (s): Ein Elektron rotiert um sich selbst wie ein Magnet. Dieses Verhalten wird als Spin bezeichnet und kann zwei Richtungen annehmen, bestimmt durch die Werte +1/2 und -1/2.

Chemische Bindungen

Ionenbindung

Metalle haben nur wenige Elektronen in der äußeren Schale und neigen dazu, diese abzugeben (niedriges Ionisierungspotenzial), um eine stabile Struktur zu erhalten. Im Gegensatz dazu haben Nichtmetalle fast vollständige äußere Schalen und neigen dazu, Elektronen einzufangen (hohe Elektronenaffinität). Durch den Elektronentransfer entstehen Ionen: Kationen oder Anionen.

Kovalente Bindung

Atome von Nichtmetallen teilen sich Elektronen, um eine stabilere Struktur zu erreichen, wenn keine Metallatome zur Elektronenabgabe vorhanden sind. Nach der Lewis-Theorie bilden Atome durch das Teilen von Elektronenpaaren eine stabile Edelgaskonfiguration (meist 8 Elektronen in der Valenzschale). Gemäß der Valenzbindungstheorie entsteht eine kovalente Bindung, wenn zwei Atome mit jeweils einem ungepaarten Elektron in ihren Orbitalen (mit entgegengesetztem Spin) so nah aneinander herankommen, dass sich die Orbitale überlappen. Die Anzahl der kovalenten Bindungen entspricht der Anzahl der ungepaarten Elektronen (z. B. im H₂-Molekül).