A. Überblick über Elemente und Atome
Der Unterschied zwischen Elementen und Atomen wird in der Umgangssprache oft verwechselt. Beide Begriffe beschreiben Materie, Stoffe mit Masse. Verschiedene Elemente sind verschiedene Arten von Materie, die sich durch unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften auszeichnen. Das Atom wiederum ist die Grundeinheit der Materie…, also eines Elements.
Die Anzahl der positiv geladenen Protonen und der neutralen Neutronen in einem Atomkern machen den größten Teil der Masse eines Atoms aus. Jedes negativ geladene Elektron, das einen Atomkern umkreist, hat etwa 1/2000stel der Masse eines Protons oder Neutrons. Daher tragen sie nicht viel zur Masse eines Atoms bei. Die Elektronen bleiben aufgrund der elektromagnetischen Kräfte, d.h. ihrer Anziehung zu den positiv geladenen Kernen, in den Atomumlaufbahnen. Die Größe des Kerns (Masse) und die Elektronenwolke um den Kern bestimmen die Struktur eines Atoms. Und diese Struktur diktiert die unterschiedlichen Eigenschaften der Elemente.
Erinnern Sie sich, dass Atome chemisch am stabilsten sind, wenn sie elektrisch ungeladen sind, mit einer gleichen Anzahl von Protonen und Elektronen. Isotope desselben Elements sind Atome mit der gleichen Anzahl von Protonen und Elektronen, aber einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen. Daher sind Isotope auch chemisch stabil, aber sie sind möglicherweise nicht physikalisch stabil. Zum Beispiel enthält das häufigste Isotop von Wasserstoff ein Proton, ein Elektron und keine Neutronen. Der Kern des Deuterium-Isotops von Wasserstoff enthält ein Neutron und der von Tritium zwei Neutronen. Beide Isotope sind in Wassermolekülen zu finden. Deuterium ist stabil. Im Gegensatz dazu ist das Tritium-Atom radioaktiv, d. h. es unterliegt mit der Zeit einem Kernzerfall. Ob physikalisch stabil oder nicht, alle Isotope eines Elements haben die gleichen chemischen und elektromagnetischen Eigenschaften und verhalten sich bei chemischen Reaktionen gleich.
Die elektromagnetischen Kräfte, die die Elektronen um ihre Kerne kreisen lassen, ermöglichen die Bildung von chemischen Bindungen in Molekülen. Wir modellieren Atome, um einerseits die durchschnittliche physikalische Position der Elektronen (das Orbitalmodell) und andererseits ihre potenziellen Energieniveaus (das Bohr- oder Schalenmodell) zu veranschaulichen. Betrachten Sie die unten abgebildeten Modelle für Helium.
Bis zu zwei Elektronen bewegen sich in einem Raum, der als Orbital definiert ist. Zusätzlich zu der Tatsache, dass sie verschiedene Bereiche um den Kern herum besetzen, existieren Elektronen auf verschiedenen Energieniveaus und bewegen sich mit unterschiedlicher kinetischer Energie. Elektronen können auch Energie aufnehmen oder verlieren, indem sie von einem Energieniveau in ein anderes springen oder fallen.
Eine eindeutige Ordnungszahl (Anzahl der Protonen) und Atommasse (normalerweise in Dalton oder Da gemessen) charakterisieren verschiedene Elemente. Ein eindeutiges Symbol mit einer hochgestellten Ordnungszahl und einer tiefgestellten Atommassenzahl definiert jedes Element. Nehmen Sie zum Beispiel das häufigste Isotop von Kohlenstoff (C). Seine Ordnungszahl ist 6 (die Anzahl der Protonen in seinem Kern) und seine Masse ist 12 Da (6 Protonen und 6 Neutronen zu je 1 Da!). Denken Sie daran, dass die Masse der Elektronen in einem Kohlenstoff (C)-Atom vernachlässigbar ist!
Suchen Sie das C-Atom und schauen Sie sich einige der anderen Atome der Elemente im unteren Teil des Periodensystems an.
Dieses partielle Periodensystem zeigt die Elemente, die für alles Leben in mehr oder weniger großen Mengen essentiell sind, sowie einige, die auch für den Menschen essentiell sein können.
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