Atome kann man sich am besten als die kleinsten unteilbaren Teile der gewöhnlichen Materie vorstellen. Tatsächlich leitet sich ihr Name aus dem Griechischen ab und bedeutet "kann nicht geschnitten werden". Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen, obwohl die kleinste und einfachste Art, das Wasserstoffatom, keine Neutronen enthält.
Ein Element ist Materie, die aus einer einzigen Atomart besteht. Wenn Sie sich das Periodensystem der Elemente ansehen, ist jede Box, die Sie sehen, von einer Substanz mit einer einzigartigen Anordnung von Protonen und Neutronen besetzt. Im speziellen Fall, dass nur ein einzelnes Atom eines Elements vorhanden ist, sind die Definitionen von "Atom" und "Element" identisch. Alternativ könnten Sie 10 oder 100 oder 1.000.000 Tonnen Materie haben, die nur aus einem einzigen Element besteht, solange jedes Atom in dieser riesigen Masse identisch ist. Etwas anders ausgedrückt, wenn einem Atom und einem Element präsentiert und gesagt wird, dass nur eines mikroskopisch klein ist, wissen Sie, was ein Beispiel für ein ist Element (obwohl natürlich nicht alle Aggregate eines einzelnen Elements groß genug sind, um mit bloßem Auge oder auch nur mit einem konventionellen zu sehen Mikroskop).
Was sind einige Beispiele für Atome?
Beispiele für Atome, von denen Sie mit ziemlicher Sicherheit schon einmal gehört haben – es sei denn, Sie sind gerade von einem anderen Planeten hier gelandet, oder vielleicht in einem Paralleluniversum, in dem Atome selbst unerhört sind – zumindest Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Wasserstoff und Sauerstoff sind die beiden Atome im Wasser, wobei die chemische Formel von Wasser H. ist2O weil man Molekül Wasser enthält zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Beachten Sie, dass Wasser, obwohl es keines seiner konstituierenden Atome verlieren und immer noch Wasser sein kann, kein Element ist, da nicht alle seine Atome identisch sind. Stattdessen ist es ein Verbindung. (Mehr zu dieser Nomenklatur in Kürze.)
Jedes Atom kann aus drei verschiedenen Komponenten bestehen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Tatsächlich enthält jedes Atom außer dem Wasserstoffatom mindestens eines von jedem; Wasserstoff besteht aus einem Proton und einem Elektron, hat aber keine Neutronen. Protonen und Neutronen haben fast die gleiche Masse, wobei die eines Protons 1,6726231 x 10. beträgt-27 kg und die eines Elektrons 1,6749286 x 10-27 kg. Elektronen sind noch kleiner, so dass ihre kombinierte Masse bei der Berechnung der Masse eines gegebenen Atoms für praktische Zwecke vernachlässigt werden kann. Ein Elektron hat eine Masse von 9.1093897 x 10-31 kg.
Atome in ihrer elementaren Form enthalten gleich viele Protonen und Elektronen. Ein Proton trägt eine kleine positive elektrische Ladung, die mit +1 bezeichnet wird, während ein Elektron eine Ladung von -1 trägt. Neutronen tragen keine Ladung, daher hat ein gewöhnliches Atom keine Nettoladung, da sich die positive Ladung des Protons und die negative Ladung des Elektrons gegenseitig aufheben. Einige Atome haben jedoch eine ungleiche Anzahl von Protonen und Elektronen und tragen daher eine Nettoladung (z. B. -2 oder +3); diese Atome heißen Ionen.
Physikalisch sind Atome ungefähr wie das Sonnensystem angeordnet, wobei sich kleinere Materieteilchen um das viel massereichere Zentrum drehen. In der Astronomie ist es jedoch die Gravitationskraft, die die Planeten um die Sonne kreisen lässt; in Atomen ist es eine elektrostatische Kraft. Die Protonen und Neutronen eines Atoms verklumpen zu einem Zentrum, dem sogenannten Kern. Da der Kern nur positive und nicht ladungstragende Komponenten enthält, ist er positiv geladen. Die Elektronen hingegen existieren in einer Wolke um den Kern, die von seiner positiven Ladung angezogen wird. Die Position eines Elektrons zu einem bestimmten Zeitpunkt kann nicht genau bestimmt werden, aber seine Wahrscheinlichkeit, sich an einem bestimmten Ort im Raum zu befinden, kann mit hoher Genauigkeit berechnet werden. Diese Unsicherheit bildet die Grundlage der Quantenphysik, einem aufstrebenden Gebiet, das sich von der Theorie zu einer Reihe wichtiger Anwendungen in der Ingenieurs- und Computertechnologie entwickelt hat.
Wie heißen die Atome?
Das Periodensystem der Elemente ist ein universelles Mittel für Wissenschaftler und Studienanfänger gleichermaßen, um Machen Sie sich mit den Namen aller verschiedenen Atome vertraut, zusammen mit einer Zusammenfassung ihrer kritischen Eigenschaften. Diese finden sich in jedem Chemielehrbuch und an grenzenlosen Stellen im Internet. Sie sollten einen als Referenz zur Hand haben, wenn Sie diesen Abschnitt konsultieren.
Das Periodensystem enthält die Namen und ein- oder zweibuchstabigen Abkürzungen aller 103 Elemente oder, wenn Sie es vorziehen, Atomtypen. 92 davon kommen in der Natur vor, während die schwersten 11, mit den Nummern 93 bis 103, nur unter Laborbedingungen hergestellt wurden. Die Zahl jedes Elements im Periodensystem entspricht seiner Ordnungszahl und damit der Anzahl der darin enthaltenen Protonen. Das einem Element entsprechende Kästchen in der Tabelle zeigt normalerweise seine Atommasse – also die Gesamtmasse seiner Protonen, Neutronen und Elektronen – am unteren Rand des Kästchens unter dem Namen des Atoms an. Da dies praktisch nur die Masse der Protonen und Neutronen ist und Protonen und Neutronen sehr nahe an der gleiche Masse, können Sie ableiten, wie viele Neutronen ein Atom hat, indem Sie seine Ordnungszahl (die Anzahl der Protonen) von der Atommasse abziehen und runden round aus. Natrium (Na) ist beispielsweise die Nummer 11 im Periodensystem und hat eine Masse von 22,99 Atommasseneinheiten (amu). Auf 23 gerundet können Sie dann berechnen, dass Natrium 23 - 11 = 12 Neutronen haben muss.
Aus alldem können Sie entnehmen, dass Atome schwerer werden, wenn man sich von links nach rechts und von oben nach bewegt unten in der Tabelle, als würde man eine Seite in einem Buch lesen, auf der jedes neue Wort nur ein bisschen größer ist als das vorherige Wort.
Elemente können in ihrem nativen Zustand als Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase vorliegen. Kohlenstoff (C) ist ein Beispiel für einen Feststoff; Quecksilber (Hg), das in Thermometern der "alten Schule" vorkommt, ist eine Flüssigkeit; und Wasserstoff (H) existiert als Gas. Sie können mit Hilfe des Periodensystems anhand ihrer physikalischen Eigenschaften in Kategorien eingeteilt werden. Eine bequeme Möglichkeit, sie zu unterteilen, ist in Metalle und Nichtmetalle. Metalle umfassen sechs Unterarten, während Nichtmetalle nur zwei aufweisen. (Bor, Arsen, Silizium, Germanium, Antimon, Tellur und Astat gelten als Halbmetalle.)
Das Periodensystem umfasst 18 Spalten, obwohl nicht jeder mögliche Platz in jeder Spalte belegt ist. Die erste vollständige Zeile – also die erste Instanz aller 18 Spalten, die ein Element enthalten – beginnt mit der Elementnummer 19 (K oder Kalium) und endet mit der Nummer 36 (Kr oder Krypton). Dies erscheint auf den ersten Blick umständlich, sorgt aber dafür, dass Atome mit ähnlichen Eigenschaften in Bezug auf ihre Bindungsverhalten und andere Variablen bleiben in leicht identifizierbaren Zeilen, Spalten oder anderen Gruppen innerhalb der Tabelle.
Was sind die verschiedenen Arten von Atomen?
Isotope sind verschiedene Atome, die die gleiche Ordnungszahl haben und daher dasselbe Element sind, aber unterschiedliche Neutronenzahlen haben. Sie variieren daher in ihrer Atommasse. Weitere Informationen zu Isotopen finden Sie in einem nachfolgenden Abschnitt.
Das Bindungsverhalten ist eines von verschiedenen Kriterien, nach denen Atome getrennt werden können. Zum Beispiel werden die sechs natürlich vorkommenden Elemente in Spalte 18 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) als bezeichnet Edelgase weil sie im Wesentlichen nicht mit anderen Elementen reagieren; dies erinnert daran, wie sich in alten Zeiten Angehörige des Adels nicht unter das gemeine Volk mischten.
Metalle können in sechs Typen unterteilt werden (Alkali, Erdalkali, Übergangs-, Nach-Übergangs- und die Actinoide und Lanthanoide). Diese fallen alle in verschiedene Regionen im Periodensystem. Die meisten Elemente sind Metalle, aber die 17 Nichtmetalle umfassen einige der bekannteren Atome, darunter Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor, die alle für das Leben unerlässlich sind.
Was sind Verbindungen und Moleküle?
Eine Verbindung besteht aus einem oder mehreren Elementen. Wasser ist beispielsweise eine Verbindung. Sie können aber auch ein oder mehrere Elemente oder Verbindungen in einer anderen, flüssigen Verbindung (meist Wasser) gelöst haben, wie z. B. Zucker in Wasser gelöst. Dies ist ein Beispiel für eine Lösung, da die Moleküle im gelösten Stoff (der gelöste Feststoff) nicht an die Moleküle des gelösten Stoffes (wie Wasser, Ethanol oder was auch immer) binden.
Die kleinste Einheit einer Verbindung wird Molekül genannt. Die Beziehung von Atomen zu Elementen spiegelt die Beziehung zwischen Molekülen und Verbindungen wider. Wenn Sie ein Stück reines Natrium, ein Element, haben und es auf die kleinstmögliche Größe reduzieren, bleibt ein Natriumatom übrig. Wenn Sie eine Ansammlung von reinem Natriumchlorid (Speisesalz; NaCl) und reduzieren Sie es auf das kleinste, das es aufnehmen kann, während Sie alle seine physikalischen und chemischen Eigenschaften beibehalten, bleibt ein Natriumchlorid-Molekül übrig.
Was sind die Hauptelemente?
Die 10 am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde machen etwa 99 Prozent der Masse aller Elemente aus, die auf dem gesamten Planeten vorkommen, einschließlich der Atmosphäre. Allein der Sauerstoff (O) macht 46,6 Prozent der Erdmasse aus. Silizium (Si) macht 27,7 Prozent aus, Aluminium (Al) mit 8,1 Prozent und Eisen (Fe) mit 5,0 Prozent. Die nächsten vier am reichlichsten vorhanden sind alle als Elektrolyte im menschlichen Körper: Calcium (Ca) mit 3,6 Prozent, Natrium (Na) mit 2,8 Prozent, Kalium (K) mit 2,6 Prozent und Magnesium (Mg) mit 2,1 Prozent.
Elemente, die in beträchtlichen Mengen in sichtbarer Form vorkommen, oder Elemente, die nur berüchtigt sind, können in gewissem Sinne als Hauptelemente angesehen werden. Wenn Sie reines Gold betrachten, sei es eine winzige Flocke oder ein großer Ziegelstein (letzteres ist unwahrscheinlich!), betrachten Sie ein einzelnes Element. Dieses Goldstück würde immer noch als Gold betrachtet werden, selbst wenn bis auf ein einziges Atom alle übrig blieben. Auf der anderen Seite, wie die NASA feststellt, könnte eine Goldmünze je nach Größe der Münze etwa 20.000.000.000.000.000.000.000 (20 Septillionen) Goldatome haben.
Was sind Isotope?
Ein Isotop ist eine Variante eines Atoms, ähnlich wie ein Dobermann eine Variante eines Hundes ist. Wie Sie sich erinnern, ist eine wichtige Eigenschaft eines bestimmten Atomtyps, dass sich seine Ordnungszahl und damit die Anzahl der darin enthaltenen Protonen nicht ändern kann. Wenn also Atome in Varianten vorkommen sollen, muss diese Variation das Ergebnis von Unterschieden in der Neutronenzahl sein.
Die meisten Elemente haben ein einziges stabiles Isotop, in der Form, in der das Element am häufigsten vorkommt. Einige Elemente kommen jedoch in der Natur als Isotopengemisch vor. Eisen (Fe) besteht beispielsweise zu etwa 5,845 % aus 54Fe, 91,754 Prozent von 56Fe, 2,119 Prozent von 57Fe und 0,282 Prozent von 58Fe. Die hochgestellten Zeichen auf der linken Seite der Elementabkürzungen geben die Anzahl der Protonen plus Neutronen an. Da die Ordnungszahl von Eisen 26 beträgt, haben die oben aufgeführten Isotope der Reihe nach 28, 30, 31 und 32 Neutronen.
Alle Isotope eines Atoms haben die gleichen chemischen Eigenschaften, d. h. ihr Bindungsverhalten ist gleich. Ihre physikalischen Eigenschaften wie Massen, Siedepunkte und Schmelzpunkte sind unterschiedlich und dienen zur Unterscheidung.