Grundlagen der Materie: Eigenschaften und Atommodelle

Physikalische Eigenschaften der Materie

Eine physikalische Eigenschaft ist eine Eigenschaft, die mit den Sinnen wahrgenommen oder mit einem spezifischen Instrument gemessen werden kann. Sie manifestieren sich hauptsächlich in physikalischen Prozessen wie Zustandsänderungen, Temperaturschwankungen oder Druckveränderungen.

Beispiele: Farbe, Härte, Dichte, Siedepunkt, Schmelzpunkt.

Physikalische Eigenschaften können elektrischer, magnetischer, optischer, thermischer und mechanischer Natur sein.

Allgemeine und Spezifische Physikalische Eigenschaften

• Allgemeine Eigenschaften: Sie sind allgemein, wenn ein einzelner Wert auf verschiedene Substanzen angewendet werden kann.Beispiele: Masse, Volumen, Farbe, Textur.
• Spezifische Eigenschaften: Sie sind spezifisch, wenn jeder Stoff einen bestimmten Wert hat.Beispiele: Dichte, spezifisches Gewicht, Siedepunkt, Schmelzpunkt.

Extensive und Intensive Physikalische Eigenschaften

• Extensive Eigenschaften: Diese beziehen sich auf die äußere chemische Struktur, d.h., sie können leicht gemessen werden und hängen von der Menge und der Form der Materie ab.Beispiele: Gewicht, Volumen, Länge, potenzielle Energie, Wärme.
• Intensive Eigenschaften: Diese haben mehr mit der inneren chemischen Struktur der Materie zu tun und hängen nicht von der Menge ab.Beispiele: Temperatur, Schmelzpunkt, Siedepunkt, spezifische Wärme, Konzentration, Brechungsindex.

Intensive Eigenschaften können zur Identifizierung und Charakterisierung eines reinen Stoffes verwendet werden, d.h. eines Stoffes, der aus einer einzigen Art von Molekülen besteht, wie z.B. Wasser, das nur Wassermoleküle (H₂O) enthält.

Chemische Eigenschaften der Materie

Chemische Eigenschaften sind charakteristische Eigenschaften von Stoffen, die sich zeigen, wenn diese mit anderen Stoffen reagieren. Dabei entstehen in der Regel neue Stoffe, während die ursprünglichen Stoffe nicht mehr in ihrer ursprünglichen Form bestehen.

Chemische Eigenschaften manifestieren sich in chemischen Reaktionen.

Einige chemische Eigenschaften der Materie sind: Reaktivität, Heizwert, Säure.

Atommodelle: Ein historischer Überblick

Rutherfords Atommodell (1911)

Basierend auf den Ergebnissen seines Goldfolienexperiments zeigte Rutherford die Existenz des Atomkerns. Er argumentierte, dass fast die gesamte Masse und die positive elektrische Ladung eines Atoms in einem sehr kleinen, zentralen Kern konzentriert sind.

Elektronen beschreiben Kreisbahnen um den Kern. Sie haben eine sehr vernachlässigbare Masse und eine negative elektrische Ladung. Die elektrische Ladung des Kerns und der Elektronen neutralisieren sich gegenseitig, wodurch das Atom elektrisch neutral ist.

Kernaussagen von Rutherfords Modell:

• Das Atom besitzt einen Kern, in dem seine Masse und seine positive Ladung konzentriert sind.
• Der Rest des Atoms ist fast leer, wobei Elektronen eine Hülle um den Kern bilden.
• Das Atom ist neutral, da die gesamte positive Ladung im Kern durch die Anzahl der Elektronen in der Hülle ausgeglichen wird.
• Wenn Elektronen gezwungen sind, die Atomhülle zu verlassen, bleibt eine positiv geladene Struktur zurück (was verschiedene Strahlen erklärt).
• Das Atom ist stabil, weil die Elektronen um den Kern kreisen, wodurch eine Zentrifugalkraft entsteht, die durch die elektrische Anziehungskraft des Kerns ausgeglichen wird und sie auf ihrer Umlaufbahn hält.

Anmerkung zum Experiment: Der Graph einer Box mit Bleischrot und Alpha-Teilchen auf Goldfolie bezieht sich auf Rutherfords Streuversuch, der zur Entdeckung des Atomkerns führte.

Bohrs Atommodell (1913)

Niels Bohr postulierte, dass Elektronen mit hoher Geschwindigkeit um den Atomkern kreisen. Die Elektronen sind in verschiedenen Kreisbahnen angeordnet, die unterschiedliche Energieniveaus bestimmen.

Ein Elektron kann auf ein höheres Energieniveau wechseln, wofür es Energie "absorbieren" muss. Um auf sein ursprüngliches Energieniveau zurückzukehren, muss das Elektron die aufgenommene Energie emittieren.

Kernaussagen von Bohrs Modell:

• Ein Elektron hat eine bestimmte und charakteristische Energie für die Bahn, auf der es sich bewegt.
• Ein Elektron in der kernnächsten Schale (K-Schale) hat die niedrigste mögliche Energie oder befindet sich im Grundzustand. Mit zunehmender Entfernung vom Kern erhöhen sich der Radius der Bahn und die Energie des Elektrons.
• Die Energie eines Elektrons kann nur bestimmte, quantisierte Werte annehmen.
• Wenn Atome erhitzt werden, absorbieren sie Energie und bewegen sich auf äußere Schalen, die höhere Energiezustände darstellen. Man sagt dann, dass die Atome angeregt werden.
• Wenn ein Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau zurückkehrt, emittiert es eine bestimmte Energiemenge in Form eines Lichtquants (Photons). Dieses Lichtquant hat charakteristische Wellenlängen- und Frequenzeigenschaften und erzeugt eine spezifische Spektrallinie.
• Die Energiemenge eines Photons hängt von der Art der Strahlung (Wellenlänge) ab. Je kleiner die Wellenlänge, desto größer ist die Energiemenge.
• Im Bereich von 4.3x10¹⁴ Hz bis 7.5x10¹⁴ Hz ist das sichtbare Spektrum mit den Farben Violett, Blau, Grün, Gelb und Rot angesiedelt.
• In den Bereichen, in denen die Frequenz höher ist (und die Wellenlänge kleiner ist), ist der Energiegehalt der Photonen im Vergleich zu anderen Bereichen groß.
• Ultraviolette (UV) Strahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar, aber ihr hoher Energiegehalt wirkt in vielen chemischen Prozessen als Katalysator.
• Das Bohr'sche Atom kann nur in einer Reihe von stationären Zuständen existieren, wobei jeder Zustand eine bestimmte Energie besitzt.
• Die Energie kann nur durch aufeinanderfolgende Sprünge variieren, wobei jeder Sprung einem Übergang von einem Zustand zum anderen entspricht.

Daltons Atommodell (ca. 1803)

John Dalton stellte die Idee der Diskontinuität der Materie vor. Dies war die erste wissenschaftliche Theorie, die besagte, dass Materie aus Atomen besteht (abgesehen von antiken Vorläufern wie Demokrit und Leukipp, deren Behauptungen nicht durch rigorose Experimente gestützt wurden).

Kernaussagen von Daltons Modell und heutige Erkenntnisse:

• Materie ist in unteilbare und unveränderliche Teilchen, Atome genannt, unterteilt.Heutige Erkenntnis: Heute ist bekannt, dass Atome selbst teilbar und veränderbar sind.
• Alle Atome desselben Elements sind identisch (gleiche Masse und gleiche Eigenschaften).Heutige Erkenntnis: Heute ist bekannt, dass Isotope existieren: Atome desselben Elements, die unterschiedliche Massen haben und sich genau in dieser Eigenschaft unterscheiden.
• Atome verschiedener Elemente haben unterschiedliche Massen und andere Eigenschaften.
• Verbindungen werden gebildet, wenn Atome in einem konstanten und einfachen Verhältnis miteinander verbunden sind.

Thomsons Atommodell (1904)

J.J. Thomson entdeckte das Elektron, bevor Protonen und Neutronen entdeckt wurden. Er postulierte, dass Elektronen gleichmäßig im gesamten Atom verteilt sind, ähnlich Rosinen in einem Kuchen – daher bekannt als Rosinenkuchen-Modell.

Nach diesem Modell besteht das Atom aus negativ geladenen Elektronen, die in einer positiv geladenen Materie eingebettet sind, ähnlich dem Rosinenkuchen-Modell.

Thomsons Experimente:

J.J. Thomson (1897) maß in einem Experiment das Verhältnis von Ladung zu Masse eines Elektronenstroms mithilfe einer Kathodenstrahlröhre. Er erhielt einen Wert von 1,76 x 10⁸ Coulomb pro Kilogramm (C/kg).

(Beschreibung des Experiments: Elektronen bewegen sich von der Kathode (-) zur Anode (+) und treffen auf einen Bildschirm; seitliche Felder lenken sie ab.)