Atombau

Atombau und Chemische Bindung
Ein Crashkurs

Zu diesem Crashkurs steht ein Foliensatz (17 Folien) zur Verfügung, den sich Chemiekollegen herunterladen dürfen (allerdings nicht kostenlos).

Und jetzt geht es los mit unserem Crash-Kurs!

Elemente und Verbindungen (Fo 1 - 2)

Elemente		Verbindungen
Elemente sind mit chemischen und physikalischen Mitteln nicht weiter zerlegbar, weder durch Erhitzen, noch durch Säuren oder Laugen, noch durch hohen Druck etc.		Verbindungen können mit chemischen Mitteln in Elemente zerlegt werden, mit physikalischen Trennmethoden (z.B. Filtrieren, Destillieren) allerdings nicht.
Elemente bestehen aus Atomen.		Verbindungen bestehen aus Molekülen.
Es gibt über 100 Elemente, und jedes Element besteht aus einer eigenen Atomsorte.		Es gibt über 1.000.000 Verbindungen, jede besteht aus einer eigenen Molekülsorte.
Alle Atome eines Elementes sind untereinander gleich.		Alle Moleküle einer Verbindung sind untereinander gleich.

Atommodelle (Fo 3)

Unter einem Atommodell versteht man eine endliche Menge von Aussagen über Atome.

Das älteste und einfachste Atommodell ist das von DALTON (18. Jahrhundert).

• Atome bestehen aus kleinen, massiven, unteilbaren Kugeln.
• Jedes Element besteht aus einer eigenen Atomsorte. Es gibt also genau soviele Atomsorten, wie es Elemente gibt.
• Jede Atomsorte hat einen bestimmten Radius und eine bestimmte Masse.
• Chemische Reaktionen sind Teilchengruppierungen: Bei einer Reaktion gruppieren sich die Atome der Ausgangsstoffe lediglich um. Weder werden Atome vernichtet, noch entstehen neue.

Rosinenkuchenmodell von THOMPSON (Fo 4)

Abbildung 2   links: ein Atom gibt ein Elektron ab. Es entsteht ein positiv geladenes Ion, ein Kation. rechts: ein Atom nimmt ein Elektron auf. Es entsteht ein negativ geladenes Ion, ein Anion.

Versuche wie z.B. die Elektrolyse von Kochsalz konnten mit dem DALTONschen Atommodell nicht mehr erklärt werden.

THOMPSON schlug Anfang des 20. Jahrhunderts vor, dass Atome aus einer negativen Grundmasse bestehen, in die kleine positive Ladungen eingelagert sind - ähnlich wie Rosinen in einem Kuchen. Da Atome elektrisch neutral sind, muss die Zahl der positiven und negativen Ladungen in einem Atom gleich sein.

Die Abbildung 2 zeigt eine der vielen Varianten des Rosinenkuchemodells. Die Grundmasse ist hier neutral, und es sind sowohl positive wie auch negative Ladungen in sie eingebettet (für den Unterricht bevorzuge ich diese Variante).

Kern-Hülle-Modell nach RUTHERFORD (Fo 5)

Abbildung 3   Das Be-Atom nach dem Kern-Hülle-Modell von Rutherford. Im Atomkern befinden sich vier positive Ladungen, in der Elektronenhülle vier negative. Nach außen hin ist das Atom elektrisch neutral.

RUTHERFORD machte einen berühmten Versuch (auf den wir hier nicht eingehen können, siehe aber Chemie Klasse 9), in dem er nachwies, dass die positiven Ladungen eines Atoms auf einen sehr kleinen Atomkern konzentriert sind, während sich die negativen Ladungen in Form von Elektronen in der Atomhülle befinden (Kern-Hülle-Modell des Atoms).

Anmerkungen zu den bisher erarbeiteten Atommodellen

"Welches Atommodell ist denn nun richtig?" Wie oft habe ich diese Frage von Schülern gehört. Natürlich ist keines der hier vorhergestellten Atommodelle "richtig", und auch kein zukünftiges. Man muss sich einmal klar machen, was ein Modell überhaupt ist. Welches Modell einer berühmten Dampflokomotive ist denn das richtige, das ganz kleine für Spur N, das große für Spur HO, oder das ganz große für den Garten? Oder das noch größere aus Weichkunststoff für das Kleinkind? Oder das kaum als Lok erkennbare des berühmten dänischen Bildhauers? Alle fünf sind Modelle der richtigen Lok, genauso sind alle Atommodelle nur Modelle eines richtigen Atoms.

Die Frage müßte richtiger heißen: "Welches Atommodell ist aussagekräftiger?". Diese Frage lässt sich recht einfach beantworten. Das DALTONsche Kugelteilchenmodell ist am wenigsten aussagekräftig, und das moderne Kugelwolkenmodell, welches wir noch kennenlernen, ist am aussagekräftigsten. Und das quantenmechanische Atommodell, welches wir in der Stufe 11 nicht kennenlernen werden, ist noch aussagekräftiger.

Mein Grundsatz, den ich meinen Schülern im Unterricht zu vermitteln versuche, ist der: Atommodelle braucht man, um Phänomene aus dem Alltag der Chemie zu erklären. Und dann nimmt man stets das einfachste Atommodell, welches das Phänomen widerspruchsfrei erklärt. Wenn ich z.B. erklären möchte, wieso 100 ml Wasser und 100 ml Alkohol zusammen nicht 200 ml Gemisch ergeben, sondern nur 194 ml, so brauche ich kein quantenmechanisches Atommodell, es reicht hier das DALTONsche Atommodell völlig aus, nach dem Atome oder "kleinste Teilchen" kugelförmig sind und unterschiedliche Durchmesser haben.

Wenn ich die Zinkbromid-Elektrolyse erkären will, reicht das DALTON-Modell dagegen nicht aus. Aber das THOMPSONsche Rosinenkuchenmodell liefert schon eine ausreichende Erklärkung für die Existenz von Kationen und Anionen.

Und wenn ich erklären muss, wieso Alkalimetalle und Halogene leicht reagieren, Edelgase dagegen nicht, brauche ich ein noch bessers Atommodell. Das Rosinenkuchenmodell reicht nicht aus. Auch das Kern-Hülle-Modell von RUTHERFORD nicht. Man braucht schon ein Atommodell, mit dem man die Oktettregel erklären kann. Das einfachste Atommodell hierfür ist sicherlich das Schalenmodell von BOHR und anderen.

Die räumliche Struktur des Methanmoleküls kann man damit aber nicht erklären, also nehmen wir hier das Kugelwolkenmodell, welches hauptsächlich von Chemiedidaktikern entwickelt wurde, die wohl keine Lust hatten, ihren Schülern das quantenmechanische Modell zu erklären.

Heutige Chemiedidaktiker haben neuerdings die tolle Idee, dass es dem Alltagsdenken von Schülern überhaupt nicht entspricht, wenn sie verschiedene Atommodelle kennenlernen. Am besten wäre es, den Schülern gleich das "richtige" Modell zu vermitteln. Diese Ansicht lehne ich persönlich strikt ab. Gerade das sukzessive Behandeln verschiedener Atommodelle öffnet doch den Blick für das Wesen einer Modellvorstellung. Nur so lernen die Schüler kritsich mit dem Modellbegriff umzugehen. Nur so lernen sie, wie man später im Beruf selbst Modellbildungen vornimmt, und worauf dabei zu achten ist.
 
 

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