Atombau — Protonen, Neutronen und Elektronen

Der Atombau erklärt, wie ein Atom aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut ist. Die Kurzfassung lautet: Protonen bestimmen das Element, Neutronen verändern das Isotop, und Elektronen verändern die Ladung.

Wenn du diese drei Aufgaben getrennt hältst, werden die meisten Anfängerfragen viel einfacher. Du kannst erkennen, um welches Atom es sich handelt, ob es ein bestimmtes Isotop ist und ob es neutral oder ein Ion ist.

Atombau im Überblick

Ein Atom hat in der Mitte einen winzigen Kern und außerhalb davon Elektronen. Der Kern enthält fast die gesamte Masse des Atoms, weil sich dort die Protonen und Neutronen befinden.

Für die Grundlagen der Chemie ist vor allem dieses Bild wichtig:

• Protonen sind positiv und befinden sich im Kern
• Neutronen sind neutral und befinden sich im Kern
• Elektronen sind negativ und halten sich in Bereichen um den Kern auf

Was jedes Teilchen verändert

Protonen

Protonen befinden sich im Kern und tragen eine positive Ladung. Die Anzahl der Protonen ist die Ordnungszahl, und diese Zahl legt das Element fest.

Wenn ein Atom 8 Protonen hat, ist es Sauerstoff. Wenn es 6 Protonen hat, ist es Kohlenstoff. Das bleibt auch dann so, wenn sich die Zahl der Neutronen ändert.

Neutronen

Neutronen befinden sich ebenfalls im Kern, haben aber keine elektrische Ladung. Sie tragen zur Masse bei und helfen dabei, ein Isotop eines Elements von einem anderen zu unterscheiden.

Eine Änderung der Neutronenzahl erzeugt kein neues Element. Sie erzeugt ein anderes Isotop desselben Elements, zum Beispiel Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14.

Elektronen

Elektronen tragen eine negative Ladung und halten sich in Bereichen um den Kern auf. In der Anfangschemie werden sie oft so beschrieben, dass sie Schalen oder Energieniveaus besetzen.

Elektronen sind vor allem für Bindungen und die Bildung von Ionen wichtig. Wenn das Atom neutral ist, ist die Zahl der Elektronen gleich der Zahl der Protonen. Wenn das Atom ein Ion ist, gilt diese Gleichheit nicht mehr.

Ordnungszahl vs. Massenzahl

Diese beiden Begriffe kann man leicht verwechseln, weil beide Anzahlen beschreiben, aber unterschiedliche Fragen beantworten.

Die Ordnungszahl sagt dir, wie viele Protonen das Atom hat:

$$\text{atomic number} = \text{number of protons}$$

Die Massenzahl sagt dir, wie viele Protonen und Neutronen in einem bestimmten Atom enthalten sind:

$$\text{mass number} = \text{protons} + \text{neutrons}$$

Wenn also die Massenzahl für ein Isotop gegeben ist, kannst du die Zahl der Neutronen so berechnen:

$$\text{neutrons} = \text{mass number} - \text{atomic number}$$

Diese Subtraktion funktioniert nur, wenn du die Massenzahl eines bestimmten Isotops verwendest, zum Beispiel Kohlenstoff-12 oder Natrium-23. Der Dezimalwert im Periodensystem ist etwas anderes: Er ist eine gewichtete mittlere Atommasse und nicht die Massenzahl eines einzelnen Atoms.

Durchgerechnetes Beispiel: Kohlenstoff-12

Kohlenstoff-12 ist ein gutes Beispiel, weil jede Teilchenzahl eine andere Idee zeigt.

Kohlenstoff hat die Ordnungszahl 6, also hat jedes Kohlenstoffatom 6 Protonen. Der Name Kohlenstoff-12 sagt dir, dass die Massenzahl 12 ist, also gilt:

$$\text{neutrons} = 12 - 6 = 6$$

Wenn das Atom neutral ist, hat es auch 6 Elektronen, weil neutrale Atome gleich viele Protonen wie Elektronen haben.

Ein neutrales Kohlenstoff-12-Atom hat also:

1. 6 Protonen
2. 6 Neutronen
3. 6 Elektronen

An diesem einen Beispiel lassen sich die Rollen klar trennen. Die 6 Protonen machen es zu Kohlenstoff, die 6 Neutronen machen es zum Isotop Kohlenstoff-12, und die 6 Elektronen machen es neutral statt geladen.

Warum der Atombau wichtig ist

Der Atombau ist der Ausgangspunkt für viele Themen der Anfangschemie. Wenn du weißt, welches Teilchen was verändert, wirken spätere Themen nicht mehr unverbunden.

• Die Protonenzahl ist direkt mit dem Periodensystem verknüpft.
• Die Elektronenzahl hilft dabei, Ionen und chemische Bindungen zu erklären.
• Die Neutronenzahl hilft dabei, Isotope und Unterschiede in der Atommasse zu erklären.

Deshalb taucht der Atombau später bei der Elektronenkonfiguration, bei Periodentrends und bei Bindungen wieder auf.

Häufige Fehler beim Atombau

Ordnungszahl und Massenzahl als dasselbe behandeln

Sie sind nicht austauschbar. Die Ordnungszahl zählt nur Protonen. Die Massenzahl zählt Protonen plus Neutronen.

Denken, dass Neutronen das Element verändern

Das tun sie nicht. Ein Atom mit einer anderen Neutronenzahl ist meist ein anderes Isotop, nicht ein anderes Element.

Die Bedingung für ein neutrales Atom vergessen

Elektronen sind nur dann gleich Protonen, wenn das Atom neutral ist. Bei einem Ion ändert sich die Elektronenzahl mit der Ladung.

Die Atommasse aus dem Periodensystem als Massenzahl verwenden

Im Periodensystem steht normalerweise eine mittlere Atommasse. Du solltest von diesem Dezimalwert nicht die Ordnungszahl abziehen und dann erwarten, die Neutronenzahl eines ganz bestimmten Atoms zu erhalten.

Wann du den Atombau verwendest

Du verwendest den Atombau beim Lernen von:

1. Isotopen
2. Ionen
3. Elektronenkonfiguration
4. Periodentrends
5. chemischen Bindungen

Er ist außerdem der erste Schritt, um die Nuklidschreibweise zu lesen und zu verstehen, warum Atome desselben Elements unterschiedliche Massen haben können.

Probiere deine eigene Version

Versuche als Nächstes Natrium-23. Natrium hat die Ordnungszahl 11, also bestimme zuerst die Protonen, dann die Neutronen und dann die Elektronen für ein neutrales Atom.

Vergleiche danach neutrales Natrium mit $Na^+$. So siehst du auf einfache Weise, dass die Protonenzahl das Element bestimmt, während die Elektronenzahl die Ladung steuert.