Grundlagen der Atomstruktur, Bindungen und Kristallformen

Grundlagen der Atomstruktur

Das Atom besteht aus einem Kern, dessen Größe im Vergleich zum gesamten Atomvolumen sehr gering ist. Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen. Um diesen Kern bewegen sich Elektronen in einer Entfernung, die im Verhältnis zur Kerngröße sehr groß ist.

Isotope: Atome desselben Elements

Als Isotope bezeichnet man Atome desselben chemischen Elements, die die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen besitzen.

Atommodelle: Bohr vs. Quantenmechanik

Der wichtigste Unterschied zwischen dem Bohr-Modell und dem quantenmechanischen Modell liegt in der Beschreibung der Elektronenbewegung:

• Das Bohr-Modell geht davon aus, dass sich Elektronen in bestimmten, festen Bahnen um den Kern bewegen.
• Das quantenmechanische Modell definiert, dass Elektronen um den Kern Positionen mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit einnehmen. Ihre genaue Position kann jedoch nicht exakt vorhergesagt werden.

Orbitale und Valenzelektronen

• Ein Orbital wird als der Raumbereich definiert, in dem die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron zu finden, hoch ist (typischerweise 90%).
• Valenzelektronen sind die Elektronen der äußersten Schale (letzte Stufe). Sie sind maßgeblich für das chemische Verhalten des Atoms verantwortlich.
• Die Wertigkeit (Valenz) eines Elements ist die Anzahl der Elektronen, die das Atom benötigt oder abgibt, um seine äußerste Schale zu vervollständigen.

Chemische Bindungen

Chemische Bindungen sind die Anziehungskräfte, die Atome zusammenhalten und somit eine Verbindung bilden. Diese Kräfte sind elektrischer Natur, variieren jedoch je nach Art der beteiligten Atome und der Bindungsform.

Kristallstrukturen

Ein Kristall entsteht, wenn die Teilchen (Atome, Ionen oder Moleküle), aus denen die Materie besteht, eine perfekt geordnete Struktur bilden, die sich mikroskopisch in alle drei Raumrichtungen erstreckt.

Klassifizierung von Kristallen

Kristalle werden nach der Art der Teilchen, aus denen sie aufgebaut sind, unterschieden:

1. Ionische Kristalle: Die Partikel sind Ionen.
2. Kovalente Kristalle: Die Partikel sind Atome, die durch kovalente Bindungen verbunden sind.
3. Metallische Kristalle: Die Partikel sind positive Ionen (Kationen), die in einem „Meer“ freier Elektronen eingebettet sind.

Eigenschaften Ionischer Kristalle

Die innere Struktur ist vollständig geordnet, wobei jedes Ion von der größtmöglichen Anzahl von Ionen mit entgegengesetztem Vorzeichen umgeben ist. Ionische Verbindungen bilden keine einzelnen Moleküle.

Wenn wir die Formel einer ionischen Verbindung schreiben, gibt dies das Verhältnis der Atome an, die sich bei Umgebungstemperatur zu dem festen Stoff verbinden. Ionische Kristalle haben typischerweise einen hohen Schmelz- und Siedepunkt.

Eigenschaften Kovalenter Kristalle

Die den Kristall bildenden Teilchen sind Atome, die durch starke kovalente Bindungen miteinander verbunden sind. Typische Beispiele sind Diamant und Graphit.

Im Diamanten ist jedes Kohlenstoff (C)-Atom mit vier anderen C-Atomen durch kovalente Bindungen verbunden. Kovalente Kristalle sind in der Regel sehr hart, haben extrem hohe Schmelz- und Siedepunkte und leiten keinen elektrischen Strom.

Eigenschaften Metallischer Kristalle

Die Partikel sind als Kationen (positive Ionen) der Metalle angeordnet. Diese Kationen sind umgeben von einem „Meer“ freier Elektronen, die aus den Valenzelektronen stammen.

Metalle besitzen einen charakteristischen Glanz und sind hervorragende Leiter von Elektrizität und Wärme. Sie sind in der Regel nicht in Wasser löslich und können leicht zu Platten oder Drähten verarbeitet werden, ohne zu brechen (Duktilität und Verformbarkeit).