Grundlagen der Atomstruktur und Chemie: Modelle & Prinzipien

Eigenschaften von Elementen

• Metalle: Gute elektrische Leiter

• Halbmetalle: Zwischen Metallen und Nichtmetallen

• Nichtmetalle: Schlechte elektrische Leitfähigkeit

• Gase: Letzte Elektronenschale gefüllt

Atomorbitale und ihre Formen

Atomorbitale beschreiben die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron in einem bestimmten Bereich um den Atomkern zu finden.

• S-Orbital: Kugelsymmetrisch

  Das S-Orbital ist kugelsymmetrisch um den Atomkern angeordnet.

• P-Orbital: Hantelförmig

  Das P-Orbital besteht aus zwei flachen Bereichen (Lappen), die am Atomkern zusammentreffen und entlang der Koordinatenachsen (x, y, z) ausgerichtet sind.

• D-Orbital: Komplexe Formen

  Vier der D-Orbitale haben vier Lappen mit abwechselnden Vorzeichen. Das fünfte D-Orbital ist ein Doppellappen, der von einem Ring umgeben ist.

• F-Orbital: Exotische Formen

  F-Orbitale besitzen noch komplexere und exotischere Formen.

Grundlegende Quantenprinzipien

• Pauli-Prinzip

  Keine zwei Elektronen in einem Atom können die gleichen vier Quantenzahlen (Haupt-, Neben-, Magnet- und Spinquantenzahl) haben.

• Aufbauprinzip

  Elektronen besetzen Orbitale mit der niedrigsten Energie zuerst, bevor sie Orbitale höherer Energie besetzen.

• Hundsche Regel

  Elektronen besetzen Orbitale innerhalb einer Unterschale einzeln mit parallelem Spin, bevor sie sich paaren, um die maximale Spinkorrelation zu erreichen.

Historische Atommodelle

Thomson-Modell: Entdeckung des Elektrons

Joseph John Thomson stellte fest, dass der von einer Kathodenstrahlröhre emittierte Lichtstrahl aus negativ geladenen Teilchen bestand, da diese von der positiven Elektrode angezogen wurden. Da dieses Phänomen unabhängig vom verwendeten Gas bei niedrigem Druck auftrat, schloss er, dass diese Teilchen allen Atomarten gemeinsam waren.

Thomson postulierte, dass ein Atom, um elektrisch neutral zu sein, die gleiche Menge an negativen und positiven Ladungen enthalten muss. Die negativen Teilchen nannte er Elektronen (e-).

Rutherford-Modell: Der Atomkern

Ernest Rutherford schlug vor, dass die positiven Ladungen eines Atoms in einem winzigen, dichten Kern in der Mitte konzentriert sind und die Elektronen diesen Kern umkreisen.

Rutherford gelangte zu dieser Schlussfolgerung durch sein berühmtes Goldfolienexperiment. Er bombardierte eine dünne Goldfolie mit Alpha-Strahlung und beobachtete die Streuung der Teilchen auf einem umgebenden Zinksulfid-Schirm, der bei Auftreffen der Alpha-Teilchen aufblitzte.

Daltons Atomtheorie: Grundprinzipien

John Dalton formulierte folgende grundlegende Prinzipien der Atomtheorie:

• Alle Materie besteht aus winzigen, unteilbaren Teilchen, den Atomen.
• Atome sind unteilbar und können weder erzeugt noch zerstört werden.
• Atome desselben Elements sind identisch in Masse und Eigenschaften. Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Masse und Eigenschaften.
• Atome verschiedener Elemente verbinden sich in festen, einfachen ganzzahligen Verhältnissen zu chemischen Verbindungen.
• Chemische Reaktionen sind die Neuordnung, Trennung oder Kombination von Atomen.