Atome sind die Bausteine des Universums, das Sie um sich herum sehen. Sie sind elektrisch neutral, und das ist gut für Lebewesen wie uns. Wenn Atome nicht neutral wären, wären sie instabil, und wir wären wahrscheinlich nicht hier. Warum sind Atome elektrisch neutral? Die Antwort ist einfach: Ihre negativ geladenen Komponenten (Elektronen) werden vollständig mit ihren positiv geladenen Komponenten (Protonen) ausgeglichen. Dies zu verstehen führt Sie in die wichtigsten Ideen für jeden angehenden Wissenschaftler ein und schlägt auch eine Brücke zu anderen Themen wie der Existenz nicht neutraler Ionen.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Atome sind elektrisch neutral, weil sie gleiche Mengen an positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen enthalten. Elektronen und Protonen haben gleiche, aber entgegengesetzte Ladungen, das Ergebnis ist also keine Nettoladung.
Ionen sind Atome, die Elektronen aufgenommen oder verloren haben. Als Ergebnis haben Ionen eine Nettoladung.
Protonen, Elektronen und Neutronen
Drei wichtige Teilchen bilden Atome, und jedes hat eine andere Ladung. Der Kern enthält die Protonen und Neutronen, und die Elektronen besetzen außen eine „Wolke“. Neutronen besitzen keine elektrische Ladung, wie der Name schon sagt. Protonen und Elektronen sind beide geladen, aber entgegengesetzt. Protonen haben eine positive Ladung von 1,6 × 10−19 Coulomb und Elektronen haben eine negative Ladung von −1.6 × 10−19 Coulomb. Jedes Proton trägt die gleiche positive Ladung und jedes Elektron trägt die entgegengesetzte Ladung, daher sagen Wissenschaftler in vielen Fällen nur +1 für Protonen und -1 für Elektronen.
Die Elemente sind elektrisch neutral
Die chemischen Elemente werden am einfachsten durch die Anzahl ihrer Protonen definiert. Dies wird ihre Ordnungszahl genannt, und das Periodensystem ist eine sequentielle Liste von Elementen mit steigender Ordnungszahl. Wasserstoff hat die Ordnungszahl eins (also ein Proton), Helium hat zwei, Lithium hat drei und so weiter. Jedes Element hat die gleiche Anzahl von Elektronen, die den Zentralkern umkreisen. Die negative Ladung der Elektronen hebt die positive Ladung der Protonen auf, so dass diese Atome, wenn man das Ganze betrachtet, alle elektrisch neutral sind.
Neutronen sitzen mit Protonen auch in den Kernen der meisten Elemente, aber da sie nicht geladen sind, spielen sie keine Rolle, warum Atome elektrisch neutral sind. Einige Elemente existieren in mehr als einer Form mit unterschiedlichen Neutronenzahlen als unterschiedliche Isotope, aber dies beeinflusst eher ihre Stabilität beim radioaktiven Zerfall als ihre Ladung.
Ionen: Die Ausnahme von der Regel
Obwohl alle Atome normalerweise elektrisch neutral sind, gibt es einige wichtige Ausnahmen. Wenn ein Atom ein Elektron verliert, sind die Protonen den Elektronen zahlenmäßig überlegen und die Nettoladung beträgt +1. Einige Elemente gewinnen ein Elektron und damit einen Überschuss an negativer Ladung, was ihnen eine Nettoladung von −1 verleiht.
Diese werden als Ionen bezeichnet, ein „Kation“ für positiv geladene Ionen und ein „Anion“ für negativ geladene Ionen. Obwohl dies bedeutet, dass sie elektrisch weniger stabil sind und entgegengesetzt geladene Ionen anziehen, neigen bestimmte Elemente dazu, sich so zu verhalten weil ihre äußerste Elektronenhülle entweder ein oder zwei Elektronen davon entfernt ist, „voll“ zu sein, oder nur ein oder zwei Elektronen in eine neue Schale.