2. Lektion: Atomphysik und Chemie

Liebe Freunde der Astrophysik,

Ich schlage vor wir gehen zusammen hand in hand in das Thema und ich werde versuchen es möglichst leicht verständlich zu machen. Physik Fans sind eigentlich solche, die sich gern den Kopf zerbrechen über Naturphänomene, es heißt nämlich: "Wer den Verstand  hinter dem sinn der dinge nicht verliert, der hat keinen zu verlieren". Um die Physik Fans geht es hier aber nur wenig, denn die würden sich nicht mehr mit diesen einfachen Dingen befassen, die auf dieser Seite erklärt werden und sie wissen oft viel mehr als ich.

 Atomphysik

Wir fangen erstmal mit ein bisschen Geschichte an. Demokrit (ein griechischer Naturphilosoph, einige 100 Jährchen v. Ch.), er war der Meinung: "wenn ich einen festen Körper immer kleiner zerhacken würde, dann muss das zu einem Ende führen. Dieses Ende wäre bei Körnchen die nicht mehr teilbar sind und das nannte er "das Atom"." Der Name Atom ist griechisch und bedeutet " das Unteilbare".

Heute wissen wir aber das Atom ist teilbar und was wir noch wissen ist, dass wir nicht wissen ob die Teilung in dem Sinne ein Ende hat. Dahin wollen wir nicht kommen, sondern wir nehmen uns das einfachste Atommodell vor (das Schalen- Modell). Dieses Modell ist nicht mehr Aktuell, aber zu eurer Beruhigung, es darf verwendet werden, denn es gibt von allen Modellen keines, das der Wahrheit entspricht, es ist nur die Wahrscheinlichkeit immer weiter eingeschränkt worden. Dieses Modell teilt das Atom zum Ersten in zwei, den Atomkern und die Atomhülle. In der Hülle kreisen Elektronen um den Kern. Das ganze Atom hat die Masse von mindestens etwa 1/6 * 10²³ kg. Die Hülle ist elektrisch negativ geladen und der Kern positiv.

Das einfachste Atom ist das Wasserstoffatom (Symbol "H" für Hydrogenium). Es hat ein negativ geladenes Elektron in der Hülle und ein positiv geladenes Proton im Kern. Das Proton ist etwa 2000-mal schwerer als das Elektron, deswegen sagt man, das Elektron hat fast keine Masse. Das Proton bleibt im Kern fest und es macht die Masse aus, während das Elektron das Volumen ausmacht und etwas wie eine Wolke um den Kern bildet, weil er den rasend umkreist. Im Vergleich Hülle zum Kern, ist die Hülle riesengroß. Wir wissen alle wie ein Fußballstadion aussieht. Wenn der Kern eine Erbse wäre, die wir genau im Zentrum des Mittelkreises im Spielfeld legen würden, dann wäre die Hülle der Rand des ganzen Stadions. Mit einem Proton und einem Elektron ist das Wasserstoffatom das leichteste.

Wir merken uns: Verschiedennamige Ladung zieht sich an, während gleichnamige Ladung sich abstößt. Das ist genauso wie bei den Polen eines Magneten.

Das nächste schwerere Atom ist das Heliumatom (Symbol "He"). Es hat zwei Elektronen in der Hülle und zwei Protonen im Kern. Die Ladung in einem Atom muss ausgeglichen sein, damit sie nach Außen neutral ist. Also ein Heliumatom ist elektrisch zweifach positiv und zweifach negativ geladen. Wenn man Wasserstoff- oder Helium-Gas anfassen würde, würde man dadurch keinen elektrischen Schlag bekommen, so ist es auch bei allen anderen Elementen. Was haben wir uns vorhin gemerkt? J Warum aber stoßen sich die Protonen im Kern nicht ab? Es gibt da noch einen Bestandteil des Atoms, nämlich das Neutron. Es ist neutral geladen, d.h. es hat keine Ladung oder es hat die Ladung null. Im Kern eines Heliumatoms gibt es zwei davon und diese halten die Protonen  durch eine andere Kraft zusammen, die 1000-mal stärker ist, als die elektrische. Wir Konzentrieren uns aber auf die so genannte "elektromagnetische Kraft" das ist die Kraft, die die Elektronen in der Nähe des Kerns hält. In der ersten Lektion hatten wir die "Gravitation", also haben wir jetzt zwei Kräfte kennen gelernt. Das Neutron ist ungefähr auch so schwer wie das Proton. Ein Heliumatom ist also viermal schwerer als  ein Wasserstoffatom. Diese zwei Elemente sind die ältesten und aus ihnen entstanden alle anderen im Universum.

Wir überschreiten nun fünf Elemente und landen bei einem, den wir alle kennen und den unsere Lunge noch besser kennen als wir "Sauerstoff" (Symbol "O" für Oxygenium). Sauerstoff hat die Ladung Acht, d.h. es hat acht Protonen im Kern, ebenfalls so viele Elektronen in der Hülle, damit die Ladung ausgeglichen (neutralisiert) ist und acht Neutronen, die wieder im Kern sind und ihm  die Stabilität geben. Wir rechnen: " Masse = 8  ⁺¹p  +  8  ⁰n =  16 ". (Die Elektronen " ^–1e" spielen in unserem Fall nur die Rolle der Neutralisation.)

Allein die "Ladungszahl", also die Anzahl der Protonen im Kern unterscheidet die Elemente voneinander, soviel Bedeutung hat sie. Demnach sind die Elemente im Periodensystem der Elemente (PSE) geordnet. Mann nennt die Ladungszahl auch  "Ordnungszahl" und diese steht links oben, neben dem Symbol. Die Massenzahl steht links unten.

^x_yZ

x = Ladungs-/Ordnungszahl

y = Massenzahl

Z = Symbol des Elements

Beispiel: Sauerstoff

⁸₁₆O    

Das Periodensystem der Elemente (PSE)

Quelle: http://www.periodensystem.info/index.htm

Hier ist ein aus einer fremden Seite gestohlenes PSE. Es hat mir sehr gefallen wie es da dargestellt ist. Ich habe es mir erlaubt, weil ich denke der Aussteller möchte auch nur die interessierten informieren. Hier ist noch ein einfacheres mit nur 36 Elementen: HIER (Quelle: http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/TOC_P2K.html ). Spielt mit dem Applet ein bisschen rum und schaut euch an, wie die Elektronen um den Kern rotieren mit dem Sheel View und wie das Atomkern der einzelnen Elemente aussieht mit dem Nucleus View.

Eigenschaften einiger Stoffe hier klicken

Wenn ich einen Stoff in seine einzelnen Bestandteile zerlegen würde, dann würde ich diese Bestandteile "Elemente" nennen. Eine Periode ist in der Mathematik eine sich immer wiederholende Ziffer oder Ziffernfolge hinter dem Komma und ein Periodensystem hat sein Namen aus den sich wiederholenden Eigenschaften bekommen.

Im PSE sind die Elemente nach ihren chemischen Eigenschaften geordnet. Ganz oben links angefangen ist das leichteste Element, weiter rechts ist das schwerere usw., bis sich die Eigenschaften der Elemente anfangen zu wiederholen, dann fängt man eine neue Zeile an.

Chemie

Es handelt sich um Chemie solange etwas in der Atomschale vor sich geht. Also eine Kernspaltung ist keine chemische Reaktion sondern eine physische, wobei man auch aus chemischen Reaktionen Energie gewinnen kann (z.B. bei einer Verbrennung). Eine Atombindung ist eine chemische, wenn sie durch die Elektronen in der Schale gebildet wird.

Im Mittelalter dachten manche sie könnten Elemente in andere verwandeln. Das würde bedeuten sie müssten am Kern etwas ändern. Oft versuchten sie Quecksilber in Gold zu verwandeln, das ist aber nicht ganz gelungen. Manche gingen mit ihren Laboren in die Luft, andere konnten ihre Könige damit täuschen, was ihnen dann den Kopf kostete es gab auch noch welche, sie wurden von der Kirche sofort verurteilt, weil sie dies für Zauberei hielten. Diesen Fachbereich nennen wir Alchemie. Heute gibt es einen wunderbaren Alchemisten, er heißt "Sonne". In der Sonne werden Wasserstoffkerne zu Helium miteinander verschmolzen, wobei sich noch sehr viel mehr Energie freisetzt als bei einem chemischen Vorgang. Alchemie ist eins der Physik Zweige.

Ich werde hier zwei Arten von chemischen Bindungen zeigen. Beide nennt man "Valenzbindungen". Ein Atom kann mehrere Schalen haben, die die Hülle darstellen. Die Äußerste von ihnen nennt man "Valenzschale". Wir werden uns hier nur die ersten drei dieser Schalen vornehmen, von innen nach außen bezeichnet man sie: "k-,l- und m-Schale". Die k-Schale kann höchstens nur zwei Elektronen beinhalten, die l-Schale acht und die m-Schale wieder acht.

1. Kovalente Bindung:

Eine kovalente Bindung entsteht, wenn sich zwei Atome mit ihren Valenzschalen überlappen. Am Beispiel einer "Oxidation": Ein Oxid ist ein Stoff, dass sich mit Sauerstoff (Oxygenium) verbunden hat.

Beispiel 1: Wir lassen ein Stück Eisen (Fe=Ferrum) frei in der Luft liegen. Das würde rosten. Der bekannte braunfarbige Rost heißt in der Fachsprache "Eisenoxid". Es hat sich also mit dem Sauerstoff der Luft verbunden. Eisen  oxidiert mit der Zeit von außen nach innen. Schneller würde das gehen, wenn ich es in Wasser lege, dann würde es mit dem Sauerstoff des Wassers "chemisch reagieren".

Beispiel 2: Genauso wie in Beispiel eins machen wir das mit einem Stück Aluminium (Al). Aluminium Oxidiert anders als Eisen, es bildet nämlich eine Schicht auf der Oberfläche, sodass es weitere Oxidationen verhindert. (In Aluminiumtöpfen schmeckt das essen besser! Das Aluminiumoxid auf den Innenflächen des Topfes löst sich in die Speise und wird später mit dem Essen verdaut und Aluminium benötigt der Körper. Das nehmen die Pflanzen, die wir Essen von der Erde oder vom Düngemittel auf und so.)

Das sind beispiele für eine "langsame Oxidation", es gibt noch eine schnelle und diese geschieht durch Verbrennung.

Beispiel 3: Wir falten ein Stück Kupferblech (Cu = Cuprum)so, dass es sich Innenflächen ergeben, die vom Sauerstoff isoliert bleiben. Es ergibt sich ein Kupferblechumschlag, den erhitzen wir dann mit einem Bunsenbrenner. Nach einer Weile sehen wir, dass sich seine Farbe verändert hat. Wir falten den zunächst auf und stellen fest, dass die Innenflächen, die natürlich auch erhitzt wurden, aber nicht verbrannt, weil das Sauerstoff dazu fehlte, ihre Farbe sich nicht verändert hat, sondern den typischen Metallglanz behielten.

Allgemein gilt:

Metall + Sauerstoff è Metalloxid

Sprich: Metall und Sauerstoff reagieren zu Metalloxid

Und im Einzelnen:

Eisen + Sauerstoff è Eisenoxid

Aluminium + Sauerstoff è Aluminiumoxid

Kupfer + Sauerstoff è Kupferoxid

Das sind Wortgleichungen, es gibt noch einige andere, damit will ich euch aber nicht nerven, ich wollte damit nur die Reaktionen noch einmal erwähnt haben, damit lässt sich es besser merken. Sie sollen auch zu nichts führen, solche Sachen werden wir in Zukunft lassen.

 Sollte sich ein Stoff, wenn auch nur chemisch, mit einem anderen verbinden, dann verliert er seine ursprünglichen Eigenschaften (z.B. Eisen lässt sich von einem Magneten anziehen, Eisenoxid aber nicht). Also es entsteht durch die chemische Verbindung ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften.

Wir gehen nun zwei Schritte zurück zu Kohlenstoff (⁶₁₂C = Carbon). Alle Stoffe die Kohlenstoff enthalten werden beim erwärmen braun. Diese Stoffe, wie Benzin, Kleiderstoff, Holz, Papier, Plastik usw. enthalten Kohlenstoff und man nennt sie "organische Stoffe".

Es kommen zwar immer mehr Begriffe, was auch ein Nachteil ist für jemand der kein gutes Gedächtnis hat, aber wir sind noch im selben Thema. Ihr sollt euch damit nicht quälen, wir wollen nur die Vorstellung von Oxidation, Verbrennung und dem ganzen Chemiebindungskram erweitern. Erst solltet ihr am besten alles konzentriert durchlesen, dann wird sich das Verständnis für die Sachen verbessert haben und dann wiederholt das ganze noch einmal. Das könnte man auch auf der ganzen Homepage beziehen (wenn ich mal in diesem Leben zu einem Ende gelangen sollte). Machen wir am besten mal weiter!

Beispiel 4: Wir verbrennen Holz, dabei steigt Rauch auf. Dieser Rauch ist das "Kohlenstoffdioxid" (CO₂) (nicht Kohlenstoffoxid!). Jedes Kohlenstoffatom verbindet sich mit zwei Sauerstoffatomen. "di" bedeutet im Lateinischen zwei. Unter Umständen kann auch "Kohlenstoffmonoxid" (CO) entstehen (mono = eins), nämlich wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist (z.B. in einer Zigarette. Bei Rauchern nimmt das Blut in der Lunge zum Teil CO auf anstelle von O₂, was den Raucher zu 10% schwächer macht als er sein würde).

Freier Sauerstoff tritt auf der Erde in molekularen Verbindungen auf. Ein "Molekül" ist eine Verbindung von Atomen, sowohl aus demselben Element als auch aus verschiedene.

Wasser (H₂O) besteht aus langen Molekülketten bei Zimmertemperatur. Jedes Sauerstoffatom ist mit zwei Wasserstoffatomen verbunden. Wasser müsste mit seiner Dichte eigentlich bei Zimmertemperatur ein Gas sein, wie CO₂ aber es besteht aus langen Ketten und dadurch ist es flüssig.

Benzin, Diesel und alle anderen Mineralöle Bestehen aus Kohlen-Wasser-Stoff Molekülketten. In einem Kfz-Motor werden diese verbrannt (Energieerzeugung) und dann werden sie als Oxide ausgestoßen.

Bei jeder chemischen Verbindung wird Energie freigesetzt oder aufgenommen. Bei einer Verbrennung tritt diese Energie als Feuer auf. (In Kfz-Motoren wird diese Wärmeenergie in Bewegungsenergie umgewandelt).

Was passiert in den Atomen genau wenn sie sich verbinden?

Wir betrachten zuerst einmal das PSE. Die Ganz rechte Spalte, das ist die Gruppe der "Edelgase". Sie heißen Edelgase, weil sie mit sich zufrieden sind. Sie wollen sich mit keinen anderen Elementen verbinden. Das weil sie immer eine volle Valenzschale haben. Ganz oben das Element mit der Nr. 2 (Helium). Wie schon oben genannt es hat zwei Elektronen und sie füllen die k-Schale. Eins weiter unten ist Neon, das ist das Gas in der Leuchtstoffröhre, es hat zehn Elektronen. Die Atomschalen füllen sich in den ersten drei schalen von innen nach außen. Wie das weiter geht ist sehr viel komplizierter und wir behalten deswegen die Grenze der ersten drei Schalen. Beim Neon ist die l-Schale gefüllt und Argon mit 18 ^–e die m-Schale.

Die Elemente der ganz linken Spalte verhalten sich anders. Das ist die Spalte der "Alkalimetalle", sie haben auf der Valenzschale immer ein einsames Elektron. Im Gegensatz zu den Edelgasen, haben die Alkalimetalle ein starkes Potenzial sich zu verbinden. Mit dieser Aggressivität bilden die Alkalimetalle eine mit den Halogenen eine "Ionenbindung", zu der wir noch kommen werden in dieser Lektion. Ebenfalls so aggressiv sind auch die Elemente aus der Gruppe der "Halogene", bei denen fehlt ein Elektron auf der Valenzschale. Die Halogene sind in der zweiten Spalte von rechts.

Das Prinzip kann man sich folgendermaßen vorstellen: Atome die weniger als eine halbvolle Valenzschale haben geben ihre äußeren Elektronen gerne ab und Atome bei denen die Valenzschale mehr als halbvoll ist nehmen gerne welche zu sich. Das weil die Elemente immer eine "Edelgaskonfiguration" haben wollen. (Konfiguration bedeutet soviel, wie sie wollen so erscheinen wie… oder sie wollen nach Außen so wirken wie…).

Die Elemente in den Gruppen im PSE weiter innen machen eine kovalente Bindung, d.h. sie überlappen sich zu einem Teil mit den Valenzschalen und teilen bestimmte Elektronen unter sich, sodass diese Elektronen mal um das eine Atom rotieren und mal um das andere.

Bei einer Ionenbindung werden die Elektronen ganz an das andere Atom abgegeben bzw. sie werden zu dem angezogen. Damit sind die an der Bindung teilnehmenden Atome nicht mehr neutral. Der Elektronen abgegeben hat, hat dann eine positive Ladung und das andere Atom eine negative. So ziehen sich die beiden Atome an und stehen nebeneinander. Feste Körper die ionisch verbunden sind, wie z.B. das in der Umgangssprache bekannte Kochsalz, bilden Kristalle. Kochsalz besteht aus Natrium (Alkalimetall) und Chlor (Halogen), in der Fachsprache heißt dieses (Natriumchlorid).

Für die chemische Bindung ist die elektromagnetische Kraft verantwortlich.

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