Grundlagen der Atomphysik: Isotope, Bohr-Modell und Chemie

Isotope und die Struktur des Atoms

Isotope: Isotope sind Atome mit den gleichen chemischen Eigenschaften, aber unterschiedlichen Massen.

Das Neutron: Wenn die Elemente in aufsteigender Reihenfolge der Ordnungszahl angeordnet werden, beseitigt dies die Anomalien, die im Periodensystem auftreten, wenn man es rein nach der zunehmenden Atommasse sortiert. Mit dem Massenspektrographen wird die Isotopenmasse bestimmt. Diese steht oft im Widerspruch zur reinen Masse der Protonen, aus denen sich die Ordnungszahl ergibt. Die Masse des Atoms muss daher auch durch andere Bestandteile (Neutronen) erklärt werden.

Ordnungszahl (Z): Sie zeigt die Anzahl der Protonen im Atomkern an und bestimmt das jeweilige Element. Sie wird mit dem Buchstaben Z dargestellt.

Massenzahl (A): Sie zeigt die Anzahl der Protonen und Neutronen (Nukleonen) im Kern an und bestimmt das Isotop des Elements. Sie wird mit dem Buchstaben A dargestellt.

Das Bohrsche Atommodell

Im Jahr 1913 wurden die folgenden Grundsätze entwickelt:

• Die Energie des Elektrons im Atom ist quantisiert. Das heißt, das Elektron befindet sich auf bestimmten Positionen oder stationären Zuständen um den Kern mit definierten Energiewerten.
• Das Elektron bewegt sich auf kreisförmigen Bahnen um den Kern. Jede dieser Bahnen entspricht einem stationären oder erlaubten Energieniveau und ist einer Nummer zugeordnet.
• Die erlaubten Energieniveaus der Elektronen sind jene, bei denen der Drehimpuls mvr (Masse, Elektronengeschwindigkeit, Radius der Umlaufbahn) ein Vielfaches von h/2π ist, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum darstellt.
• Energie wird nur absorbiert oder emittiert, wenn ein Elektron von einem Energieniveau in ein anderes wechselt. Bezeichnen wir E_i als die Energie des Ausgangsniveaus und E_f als die Energie des Zielniveaus, so sind die entsprechende Energieänderung und ihre Frequenz:
  ΔE = E_f - E_i | |ΔE| = h · ν | ν = |E_f - E_i| / h

Elektronische Konfiguration und Periodensystem

Die elektronische Konfiguration ist die Verteilung der Elektronen eines Atoms auf verschiedenen Ebenen im Raum um den Kern. Wenn Elemente in aufsteigender Reihenfolge der Ordnungszahl angeordnet werden, erfolgt eine periodische Wiederholung vieler physikalischer und chemischer Eigenschaften.

Elektronische Struktur und Periodensystem:

• Elemente der gleichen Periode haben alle die gleiche Anzahl an elektronischen Niveaus (Schalen), ob vollständig besetzt oder nicht. Diese Zahl entspricht der Nummer der Periode.
• Die Elemente der gleichen Gruppe haben die gleiche elektronische Struktur in ihrer äußersten Schale (Valenzschale).

Ionisierungsenergie, Elektronenaffinität und Elektronegativität

Ionisierungsenergie: Dies ist die Energie, die am Prozess beteiligt ist, bei dem ein neutrales Atom eines Elements X im gasförmigen Zustand ein Elektron aus seinem äußeren Niveau abgibt, sodass ein einfach positives Ion X⁺ entsteht:
X(g) + E_i = X(g)⁺ + 1e^-

Elektronenaffinität: Die Energie, die im Prozess ausgetauscht wird, bei dem ein neutrales Atom eines Elements X im gasförmigen Zustand ein Elektron aufnimmt und zu einem einfach negativen Ion X^- wird:
X(g) + 1e^- + E_a = X(g)^-

Die Elektronegativität eines Elements ist die Fähigkeit eines Atoms, Elektronen innerhalb eines Moleküls, dessen Teil es ist, anzuziehen.

Chemische Formeln und Oxidationszahlen

Eine Formel ist ein symbolischer Ausdruck der Zusammensetzung und der Struktur einer chemischen Substanz:

• Summenformel (Verhältnisformel): Drückt durch Symbole und Indizes die Elemente und das Mindestverhältnis aus, in dem Atome oder Ionen vorhanden sind. Wird für Verbindungen verwendet, die ein Kristallgitter bilden.
• Molekülformel: Drückt durch Symbole und Indizes die Elemente und die exakte Anzahl der Atome jedes Elements in einem Molekül aus.
• Strukturformel: Eine Darstellung, die zeigt, wie die Atome, aus denen die chemische Verbindung besteht, miteinander verknüpft sind.
• Stereochemische Formel: Stellt die räumliche Anordnung der Bindungen einer Substanz dar.

Die Oxidationszahl eines Elements in einer Verbindung ist die elektrische Ladung, die ein Atom des Elements besitzen würde, wenn die gesamte Verbindung aus positiven und negativen Ionen gebildet worden wäre.

Wichtige Elemente: Br, Cl, I, O, H, N, P, As, Sb, Se, Te, C, Si, B