Atommodell
Atommodelle sind in der Chemie wichtig, um Atome beschreiben und deren Eigenschaften verstehen zu können. Was Atommodelle sind und welche es gibt, erfährst du hier und im Video .
Atommodell einfach erklärt
Ein Atommodell ist ein Modell für den Aufbau eines Atoms sowie seiner Bestandteile (Atomkern, Atomhülle). Die Beschreibung moderner Atommodelle beruht auf wissenschaftlichen Experimenten und deren Beobachtungen.
Im Laufe der Geschichte haben verschiedene Personen ihre Atommodelle erstellt. Dabei sind die Atomodelle von Ernest Rutherford (Rutherfordsches Atommodell) und Niels Bohr (Bohrsches Atommodell) die historisch wichtigsten.
Atommodelle Übersicht
Hier siehst du einen kurzen Überblick über die wichtigsten Atommodelle. Die Atommodelle sind vor allem zu Beginn des 20. Jahrhunderts zunehmend genauer geworden.
- Teilchenmodell von Demokrit (5. Jhdt. v. Chr.)
- Daltons Atomhypothese (1803)
- Atommodell von Thomson (1904)
- Rutherfordsches Atommodell (1911)
- Bohrsches Atommodell (1913)
- Orbitalmodell (1928)
Teilchenmodell von Demokrit
Die erste Vorstellung von Atomen stammt aus dem 5. Jahrhundert vor Christus. Der griechische Philosoph Leukipp und sein Schüler Demokrit formulierten, dass es etwas Unteilbares geben muss. Denn sie hatten die Vermutung, dass Materie nicht beliebig weit zerteilt werden kann. Deshalb war ihre Vermutung, dass Stoffe aus festen, unteilbaren Teilchen bestehen. Die Kernaussage des Teilchenmodells ist:
- Materie besteht aus kleinsten, unteilbaren Teilchen, den Atomen.
Das Wort „atomos“ ist griechisch und bedeutet unteilbar.
Atommodell von Dalton
Der Chemiker John Dalton stellte am Anfang des 19. Jahrhunderts ein erweitertes Modell im Vergleich zu Demokrit vor. Es ist auch als Daltons Atomhypothese bekannt. Auch er definierte das Atom als kleinste Einheit der Materie. Der bedeutendste Unterschied in der Betrachtung von Dalton war folgender: Atome können verschieden sein und unterscheiden sich dann in ihrer Masse .
Das Modell von Dalton beinhaltet folgende Punkte:
- Jeder Stoff besteht aus kleinsten, unteilbaren Grundbausteinen, den Atomen.
- Atome eines bestimmten Elements sind in ihrer Masse und ihrem Volumen identisch.
- Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Masse und Volumen.
- Bei chemischen Reaktionen werden Atome weder vernichtet noch erzeugt.
- Die Atome der Ausgangsstoffe werden bei chemischen Reaktionen neu angeordnet.
Atommodell von Thomson
Ende des 19. Jahrhunderts (1897) beobachtete Joseph Thomson in einem Experiment mit einer Glühkathode folgendes: Elektronen verlassen Metalle beim Erhitzen.
Weiterhin konnte er die Masse der Elektronen bestimmen: Sie sind fast 2000-mal leichter als ein Wasserstoffatom.
Somit zeigte Thomson, dass Atome nicht unteilbar sind und weitere Bestandteile besitzen müssen. Im Jahr 1904 schlug er basierend auf seinen Beobachtungen sein Atommodell vor.
Die wichtigsten Punkte von Thomsons Atommodell sind:
- Das Atom hat eine gleichmäßig verteilte, positive Masse.
- Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich über das Atom verteilt.
- Die Atome sind elektrisch neutral, sie können jedoch Elektronen abgeben oder aufnehmen.
- Bei der Abgabe oder Aufnahme von Elektronen entstehen aus den Atomen Ionen .
Da die Elektronen im Atom sich ähnlich wie Rosinen in einem Kuchen verteilen, sprichst du hier auch vom Rosinenkuchenmodell.
Rutherfordsches Atommodell
Ernest Rutherford erweiterte das von Thomson bestehende Atommodell nur wenige Jahre später. Auch hier lieferte ein Experiment die Grundlage zur Änderung des bestehenden Atommodells:
Rutherford beschoss eine dünne Goldfolie mit Alphateilchen. Dabei beobachtete er, dass nur ein kleiner Teil der Alphateilchen auf einen Schirm reflektiert wurde. Der Großteil der Alphateilchen passierte die Goldfolie ungehindert (Rutherford Streuversuch ).
Sein Ergebnis lieferte keine gute Übereinstimmung mit den Annahmen des Atommodells von Thomson. Denn im Falle kompakter Atome hätten mehr Alphateilchen reflektiert werden müssen.
Rutherford formulierte daraufhin, dass ein Großteil des Atomvolumens ‚leer‘ sei. Sowohl die Masse als auch die positive Ladung muss wenig Volumen haben und sich im Inneren des Atoms befinden.
Das Atommodell von Rutherford umfasst folgende Punkte:
- Das Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle.
- Der Kern ist positiv geladen, besitzt den Großteil der Masse und liegt im Zentrum des Atoms.
- In der Atomhülle befinden sich die negativ geladenen Elektronen (Elektronenhülle).
- Die Elektronen sind viel kleiner als der Atomkern und kreisen in der Elektronenhülle um den Atomkern.
Bohrsches Atommodell
Das Bohrsche Atommodell im Jahr 1913 war eine sehr wichtige Erweiterung des Rutherfordschen Atommodells. Der Unterschied besteht in der Beschreibung der Elektronen .
Im Gegensatz zu Rutherford erkannte Bohr, dass das Modell von Rutherford bei Anwendung der klassischen Physik widersprüchlich ist. Denn eine bewegte Ladung strahlt Energie ab.
Das Elektron würde bei Verlust von Energie nach nur kurzer Zeit in einer spiralförmigen Bewegung in den Atomkern ‚hineinfallen‘. Stabile Atome wären demnach nicht denkbar.
Bohr löste das Problem durch Aufstellen folgender Annahmen:
- Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen mit bestimmten Energien, wobei jede Kreisbahn durch einen Energiewert charakterisiert ist.
- Elektronen können durch Zufuhr von Energie auf eine weiter entfernte Kreisbahn ’springen‘.
Die Energie muss dabei der Energiedifferenz der beiden Kreisbahnen entsprechen. Gelangt das Elektron auf seine ursprüngliche Kreisbahn zurück, wird die Energie wieder in Form von Strahlung (Licht) abgegeben.
Orbitalmodell
Das Orbitalmodell ist das aktuellste Modell zur Beschreibung der Atome. Weiterhin beschreibt es die Elektronen sehr genau. Als Grundlage dienten die Arbeiten von Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg aus der Quantenmechanik in den 1920er-Jahren. Du kannst es deshalb auch quantenmechanisches Atommodell nennen.
Die wichtigsten Punkte des Orbitalmodells sind:
- Elektronen bewegen sich in sogenannten Orbitalen (dreidimensionale Aufenthaltsbereiche).
- du gibst für die Elektronen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten in den Orbitalen an.
- es gibt verschiedene Arten und Formen von Orbitalen.
Das Elektron im Wasserstoffatom zum Beispiel befindet sich in einem kugelförmigen s-Orbital. Welche Arten von Orbitalen es noch gibt und wie du sie bestimmst, erfährst du in unserem extra Video !
Das Orbitalmodell basiert auf komplexen mathematischen Rechnungen. Ausgangspunkt zur Berechnung ist die Schrödingergleichung.
Schalenmodell
Das Schalenmodell baut einerseits auf dem Bohrschen Atommodell auf, andererseits enthält es Elemente aus dem Orbitalmodell. Die wichtigsten Punkte des Schalenmodells sind:
- Elektronen bewegen sich auf kreisförmigen Schalen um den Atomkern.
- Die Schalen stehen für verschiedene Energien.
- Jede Schale kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen.
Die äußerste Schale eines Atoms bezeichnest du auch als Valenzschale. Die Elektronen auf der Valenzschale nennst du Valenzelektronen .
Weiterhin haben die Schalen verschiedene Bezeichnungen. Die erste bzw. innerste Schale ist die K-Schale. Die Nachfolgenden benennst du in alphabetischer Reihenfolge weiter (L, M, N, …).
Kugelwolkenmodell
Das Kugelwolkenmodell ist eine Erweiterung des Schalenmodells in Richtung des Orbitalmodells. In den einzelnen Schalen befinden sich die Elektronen in sogenannten Kugelwolken (kugelförmige Elektronenwolken).
In jeder Kugelwolke können zwei Elektronen Platz finden (Pauli-Prinzip ). Dabei kannst du die Kugelwolken als eine vereinfachte Darstellung der Orbitale verstehen. Sie sind der Aufenthaltsraum der Elektronen.
Je weiter eine Elektronenschale vom Atomkern entfernt ist, desto mehr Kugelwolken können sich geometrisch um den Kern anordnen. Dementsprechend passen bei wachsender Entfernung immer mehr Kugelwolken auf eine Schale.
Atome und Moleküle
Du hast jetzt eine gute Übersicht über die verschiedenen Atommodelle erhalten. Die Bindung von Atome führt in der Chemie zur Bildung von Molekülen. Schaue dir jetzt unser Video zu den Molekülen an, um mehr über sie zu erfahren!
