Trotz der Fülle verschiedener Stoffe, aus denen unsere Welt zusammengesetzt ist – bis jetzt sind mehrere Millionen bekannt –, gibt es nur etwa 100 verschiedene Grundstoffe. Sie werden auch chemische Elemente genannt.

Alle Dinge, so unterschiedlich sie auch sein mögen, bestehen demnach aus den Atomen eines oder mehrerer dieser Grundstoffe. Die Atome der einzelnen chemischen Element unterscheiden sich durch zwei Dinge:

• durch die Größe und Zusammensetzung ihrer Atomkerne
• durch die Anzahl der Elektronen, die den einzelnen Atomkern umkreisen.

Ein chemisches Element besteht ausschließlich aus chemisch gleichen Atomen; es enthält so keine verschiedenartigen Atome.

Merken Sie sich:

Die chemischen Elemente lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: in Metalle und Nichtmetalle.

Die Metalle bilden mit etwa 80 verschiedenen Elementen die weitaus größte Gruppe.

Ausgesprochene Nichtmetalle sind nur etwa 15 Elemente. Zu ihnen zählen natürlich vor allem die gasförmigen Elemente.

Die restlichen Elemente, die ungefähr acht, zeigen einige typische Eigenschaften beider Gruppen und werden deshalb auch Halbmetalle genannt.

Chemische Elemente können bei normalen Bedingungen und Zimmertemperatur fest, flüssig oder gasförmig sein. Feste Elemente sind z. B. Kupfer, Eisen und Schwefel. Quecksilber ist ein Element, das schon bei Zimmertemperatur flüssig ist. Bekannte gasförmige Elemente sind Wasserstoff und Sauerstoff.

Abb. 2.9:
Wasserstoffatom

Das einfachste Element ist der Wasserstoff. Sein Atom-Modell sehen Sie in Abb. 2.9. Der Wasserstoff-Atomkern hat einen eigenen Namen, er wird Proton genannt.

Das Wasserstoffatom besteht also aus einem Proton und einem Elektron. Die elektrische Ladung des Protons ist positiv, die des Elektrons negativ.

Beide Ladungen sind – bis auf ihr Vorzeichen natürlich – gleich groß. Wie Sie wissen, nennt man diese kleinste bekannte Ladung oder Elektrizitätsmenge eine Elementarladung.

Halten wir fest:

In Abb. 2.10 sehen Sie die Atom-Modelle dreier weiterer Elemente. In der Abb. 2.10a ist ein Neon-Atom, in der Abb. 2.10b ein Silizium-Atom und in der Abb. 2.10c ein Kupfer-Atom dargestellt.

Bei der Darstellung fällt Ihnen sicher auf, dass die Elektronen nicht etwa regellos verteilt sind, sondern sich auf Elektronenschalen in verschiedenen Abständen vom Kern bewegen. Diese Elektronenschalen bezeichnet man mit den Buchstaben K, L, M, N usw. So hat das Neon-Atom im Teilbild a beispielsweise die beiden Elektronenschalen K und L.

Abb. 2.10:
Drei verschiedene Atomarten; die Elektronenbahnen sind jeweils in Schalen K, L, M, N um den Atomkern angeordnet.
a) Neon-Atom,
b) Silizium-Atom,
c) Kupfer-Atom

Sehr überraschend ist nun, dass die mögliche Anzahl von Elektronen in einer Schale begrenzt ist. In der ersten, dem Kern am nächsten liegenden Schale K haben zwei Elektronen Platz. Die zweite Schale (L) hingegen kann höchstens acht Elektronen aufnehmen. Die dritte Schale (M) bringt es auf 18 Elektronen, die vierte (N) sogar auf 32.

Das Neon (Abb. 2.10a) ist ein Edelgas, das z.B. zum Füllen von Leuchtreklameröhren benutzt wird. Beim Neon-Atom sind die Schalen K und L vollständig besetzt; es besitzt also 10 Elektronen. Entsprechend muss der Atomkern des Neons 10 positive Elementarladungen enthalten, denn die Zahl der positiven Elementarladungen des Kerns muss mit der Zahl der ihn umkreisenden Elektronen übereinstimmen.

Silizium (Abb. 2.10b) kommt in der Natur – in Verbindung mit Sauerstoff – sehr häufig vor. Es ist dies der gewöhnliche Sand. In der Elektronik dient Silizium als Rohstoff für die Herstellung von Halbleiterbauelementen z. B. Transistoren. Das Silizium-Atom hat 14 Elektronen, die auf die Schalen K, L und M verteilt sind. Die positive Ladung des Atomkerns entspricht deshalb 14 Elementarladungen.

Eine typische Eigenschaft der Metalle besteht darin, dass bei ihnen in der äußersten Schale stets nur sehr wenige Elektronen anzutreffen sind. Je nach Metall liegt die Zahl dieser so genannten Außenelektronen zwischen eins und sechs. So hat beispielsweise das Kupfer-Atom (Abb. 2.10c) 29 Elektronen in den vier Schalen K, L, M und N. In der äußersten Schale N besitzt es jedoch nur ein einziges Elektron.

Eigenschaften und Verhalten der Metalle sind nun im wesentlichen von diesen Außenelektronen abhängig, insbesondere die Art, wie sich die einzelnen Atome zu einem Stück Metall verbinden. Der nächste Abschnitt ist dieser Frage gewidmet.

Betrachten Sie bitte nochmals die Abb. 2.1. Daraus können Sie ersehen, dass die Atome vieler fester Körper in einer regelmäßigen räumlichen Verteilung, die man als Gitter bezeichnet, angeordnet sind.

Mit Hilfe moderner wissenschaftlicher Methoden kann man die genaue Anordnung solcher Gitter herausfinden. Dabei hat sich nun gezeigt, dass in den Gittern der Metalle die Atome möglichst dicht beieinander stehen. Um einen bestimmten Raum mit möglichst vielen Kugeln regelmäßig auszufüllen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine dieser Möglichkeiten haben wir Ihnen bereits in Abb. 2.1 gezeigt. Es stellt die Anordnung der Atome des Kupfers dar. Die gleiche Gitterstruktur zeigen auch die bekannten Metalle Aluminium, Silber und Gold.

Ein Metallatom ist also dicht von anderen Metallatomen umgeben, und zwar von so vielen, wie räumlich überhaupt Platz finden können.

Von den Kräften, welche die Atome aneinander binden, haben wir ja schon ganz zu Anfang gesprochen. Wie wäre es nun, wenn wir mit unserem inzwischen erworbenen Wissen versuchten, die Kräfte zwischen den Metallatomen zu erklären? Sicher ahnen Sie bereits, dass diese Kräfte elektrischer Natur sind und dass auch hierbei die Außenelektronen eine gewisse Rolle spielen.

Wir wählen für unsere Überlegung das in der Elektronik so wichtige Metall Kupfer. Sein Atom hat – wie Sie wissen – in der äußersten Schale (N) ein einziges Elektron. Die weiteren 28 Elektronen auf den Schalen K, L und M bilden zusammen mit dem Kern den so genannten Atomrumpf.

Man stellt sich nun den Zusammenhalt der Kupferatome im Kupfergitter etwa so vor:

Das Elektron auf der äußersten Schale ist verhältnismäßig weit vom Atomkern entfernt und deshalb nur relativ schwach an den Atomrumpf gebunden. Unter dem Einfluss der das Atom umgebenden anderen Atome kann sich das Außenelektron von seinem Atom lösen und sich mehr oder weniger frei zwischen den Atomen des Kupfergitters bewegen. Da jedes Kupferatom ein Außenelektron besitzt, bildet sich auf diese Weise zwischen den Atomrümpfen des Kupfergitters ein Schwarm von Elektronen, den wir als Elektronengas bezeichnen (Abb. 2.11):

Die positiven Atomrümpfe stoßen sich nun gegenseitig ab. Weil aber andererseits das dazwischen liegende negative Elektronengas auf die positiven Atomrümpfe eine anziehende Wirkung ausübt, entsteht zwischen den Atomrümpfen und dem Elektronengas ein Gleichgewichtszustand, der bewirkt, dass sich die Atomrümpfe in einem bestimmten gegenseitigen Abstand anordnen. Dadurch entsteht das Metallgitter.

Da sich nur Metallatome auf die eben skizzierte Art zu Gittern verbinden, bezeichnen wir diese Bindungsart zwischen Atomen als metallische Bindung.

Abb. 2.11:
Das Kupfergitter (Metalgitter) denkt man sich aus positiven Atomrümpfen und dem dazwischen frei beweglichen negativen Elektronengas aufgebaut

Eine wichtige Eigenart der Metalle ist die lose Bindung der Außenelektronen an den Atomrumpf. Das kommt zum Teil davon, dass das Außenelektron von dem positiven Atomkern zwar angezogen, jedoch gleichzeitig auch von den anderen Elektronen des Atomrumpfes, die ihm ja viel näher als der Kern liegen, kräftig abgestoßen wird.

Machen Sie sich diesen Zusammenhang am Beispiel des Kupferatoms klar: Das äußere Elektron in der N-Schale wird zwar vom Kern angezogen, aber gleichzeitig von den Elektronen der voll besetzten M-Schale abgestoßen (Abb. 2.10c). Sie können sich deshalb gewiss gut vorstellen, dass es nur eines geringen Anstoßes bedarf, damit sich ein Außenelektron „selbstständig“ macht und zu einem anderen Atom gewissermaßen überläuft. Dieser Anstoß ist etwa schon durch die ständige Bewegung der Atome infolge der Wärme gegeben.

In einem Metallgitter sind also nur die Atomrümpfe fest an ihren Platz gebunden, während die Außenelektronen zwischen ihnen nahezu frei beweglich sind. Man bezeichnet deshalb diese Außenelektronen auch als freie Elektronen.

Die freien Elektronen können sich allerdings nicht völlig unabhängig von ihren Atomrümpfen bewegen; sie müssen in Ihrer Nähe bleiben und sind gewissermaßen der Kitt, der die Atomrümpfe der Metalle zusammenhält. In einem Stück Metall gehören also die freien Elektronen nicht mehr ihrem „eigenen“ Atom, sondern dem ganzen Atomverband an.

Die Große Bedeutung der freien Elektronen wird Ihnen erst im nächsten Kapitel dieses Fachgebietes, nämlich beim Besprechen des elektrischen Stromes, so richtig klar werden.

Zuvor wollen wir jedoch das, was Sie bisher gelernt haben, zusammenfassen:

Von der Hypothese zur Theorie

Vermutungen und Annahmen, mit denen wir das Naturgeschehen zu erklären versuchen, nennt man Hypothesen. Eine Hypothese ist demnach nicht gesichert; sie kann also auch falsch sein.

Eine durch zweifelsfreie Bestätigungen gesicherte Hypothese wird erst zur Theorie, wenn keine widersprüchlichen Tatsachen mehr auffindbar sind.

Ein physikalisches Modell ist nicht ein Abbild der Natur, sondern eine Hilfsvorstellung. Es ist eine gedankliche Konstruktion, die das Verstehen der Arbeitsweise erleichtern und das Verstehen der Arbeitsweise erleichtert und das Zusammenspiel der Kräfte vor Augen führen soll.

Der Aufbau der Atome

Die elektrischen Kräfte

Zwischen positiven und negativen Ladungen wirken Kräfte, wobei die folgenden Gesetzmäßigkeiten gelten:

Das Atommodell von Rutherford

Nach diesem Modell besteht das Atom aus einem winzigen, aber äußerst schweren Zentrum, dem Atomkern.

Um diesen Kern kreisen in großen Abständen die leichten Elektronen mit großer Geschwindigkeit.

Die Elektronen sind die kleinsten Teilchen der Elektrizität. Jedes Elektron enthält nämlich die kleinstmögliche negative Ladung. Man nennt sie Elementarladung.

Der Atomkern besitzt eine positive Ladung. Diese Ladung ist gerade so groß wie die Summe der ihn umkreisenden negativen Elementarladungen.

Auf das Elektron wirken zwei Kräfte:
1. Die Anziehungskraft des Kerns
2. Die Fliehkraft oder Zentrifugalkraft.

Daraus ergibt sich der folgende Zusammenhang:

Chemische Elemente

Alle Stoffe unserer Welt sind aus nur etwa 100 verschiedenen Grundstoffen zusammengesetzt. Man nennt sie chemische Elemente.

Die Atome der einzelnen chemischen Elemente unterscheiden sich durch:
• Größe und Zusammensetzung der Atomkerne
• Anzahl der um den Kern kreisenden Elektronen.

Ein chemisches Element besteht ausschließlich aus chemisch gleichen Atomen; es enthält also keine verschiedenartigen Atome. Daher gilt:

Die chemischen Elemente lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: in Metalle und Nichtmetalle.

Chemische Elemente können unter normalen Bedingungen und Zimmertemperatur fest, flüssig oder gasförmig sein.

Das Schalenmodell

Durch die riesige Geschwindigkeit der Elektronen scheinen sie „überall zugleich“ zu sein. Wir können ihren Aufenthaltsraum als eine „Wolke“ negativer Ladung ansehen. Diese Elektronenwolke wird vereinfacht durch eine Kugel-Schale um den Atomkern dargestellt und mit einem Kreis symbolisiert. Man spricht daher von einer Elektronenschale oder einfach von einer Schale.

Die Elektronen eines Atoms sind nicht regellos verteilt, sondern sie bewegen sich auf Elektronenschalen in verschiedenen Abständen. Diese Elektronenschalen bezeichnet man mit den Buchstaben K, L, M, N usw.

Die Anzahl von Elektronen in einer Schale ist jedoch begrenzt. In der K-Schale haben 2, in der L-Schale 8, in der M-Schale 18 und in der N-Schale 32 Elektronen Platz.

Alle chemischen Elemente lassen sich mit Hilfe dieses Schalenmodells darstellen. Beispiele für Neon, Silizium und Kupfer finden Sie in der Abb. 2.10.

Die metallische Bindung

Die Atome vieler fester Körper sind in einer regelmäßigen räumlichen Verteilung, in so genannten Gittern, angeordnet. In den Gittern der Metalle stehen die Atome möglichst dicht beieinander.

Eine typische Eigenschaft der Metalle besteht darin, dass bei ihnen in der äußersten Schale stets nur wenige Elektronen anzutreffen sind. Unter dem Einfluss der das Atom umgebenden anderen Atome können sich die Außenelektronen von ihrem Atom lösen und sich mehr oder weniger frei zwischen den Atomen des Gitters bewegen. Auf diese Weise bildet sich zwischen den Atomrümpfen des Gitters ein Schwarm von Elektronen, den wir als Elektronengas bezeichnen (s. Abb 2.11).

Da sich nur Metallatome auf die eben skizzierte Art zu Gittern verbinden, bezeichnen wir diese Bindungsart zwischen Atomen als metallische Bindung.

Freie Elektronen

Eine wichtige Eigenart der Metalle ist die lose Bindung der Außenelektronen an den Atomrumpf. Das kommt zum Teil davon, dass das Außenelektron von dem positiven Atomkern zwar angezogen, jedoch gleichzeitig auch von den anderen Elektronen des Atomrumpfes, die ihm ja viel näher als der Kern liegen, kräftig abgestoßen wird.

In einem Stück Metall gehören also die freien Elektronen nicht mehr ihrem „eigenen“ Atom, sondern dem ganzen Atomverband an.

Wiederholungstext zu Kapitel 2

Eine Annahme, die richtig oder falsch sein kann, heißt __________________(1). Demokrit stellte die Vermutung auf, dass die Materie aus____________(2) bestehe. Dalton schuf das erste Atom-__________(3). Eine regelmäßige Anordnung der Atome in einem Stoff wird _____________(4) genannt. Das Atom besteht aus einem zentralen _________________________5), der in weitem Abstand von ____________________(6) umkreist wird. Die Masse eines Atoms wird praktisch nur durch seinen __________(7) bestimmt. Gleichartige elektrische Ladungen ___________________________sich _________________________(8). In einem elektrisch neutralen Körper sind _______________(9) positive und negative Ladungen enthalten. Wenn die eine oder andere Ladungsart überwiegt, bezeichnet man den Körper als ____________10). Auf ein Elektron, das um einen Atomkern kreist, wirken zwei Kräfte, die elektrische Anziehung und die _______________________________________(11). Atomkerne sind stets ___________(12) geladen. Hat ein Körper zuviel Elektronen, dann ist er ___________(13) geladen. Ein Stoff, der chemisch weder aus anderen Stoffen zusammengesetzt noch in andere Stoffe zerlegt werden kann, ist ein _______________________________(14). Der Kern des Wasserstoffatoms wird _________________(15) genannt. Die Ladung eines Protons wird als ___________-ladung (16) bezeichnet. Elektronenbahnen, die mit gleichem Durchmesser dargestellt werden, bezeichnet man als _______________(17). Bei Metallen nennt man die Elektronen der äußersten Schale, die sich leicht lösen können, ____________(18) Elektronen.