Bausteine des Atoms und Nuklidschreibweise
Aus welchen Teilchen ein Atom besteht und wie man Protonen-, Neutronen- und Elektronenzahl von Atomen und Ionen aus dem Nuklidsymbol bestimmt.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Atom besteht aus einem Kern aus Protonen und Neutronen, den Nukleonen, und einer Elektronenhülle. Die Nuklidschreibweise \(\ce{^{A}_{Z}X}\) fasst seine Kerndaten zusammen.
- Das Proton trägt \(+1\), das Elektron \(-1\) Elementarladung, das Neutron ist ungeladen. Das Elektron wiegt nur \(0{,}911 \cdot 10^{-27}\,\mathrm{g}\), rund 1/1836 der Protonenmasse.
- Kerndurchmesser und Atomdurchmesser verhalten sich etwa wie \(1 : \geq 10\,000\).
- Die untere Zahl ist Ordnungszahl = Protonenzahl = Kernladungszahl, die obere die Massenzahl (Nukleonenzahl). Die Neutronenzahl steht nicht da und folgt aus \(N = A - Z\).
- Ein neutrales Atom hat so viele Elektronen wie Protonen. In Ionen gilt Elektronenzahl = \(Z\) − Ladung, etwa 23 Elektronen in \(\ce{^{56}_{26}Fe^3+}\).
Worum es geht
Ein Atom besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Wie viele davon es enthält, lässt sich aus einem kurzen Symbol ablesen. Diese Nuklidschreibweise ist das Handwerkszeug für Isotope, Radioaktivität und Ionen. In der Pharmazie begegnet sie dir etwa bei \(\ce{^{18}_{9}F}\), dem Radionuklid der PET-Diagnostik.
Kern und Hülle
Jedes Atom hat zwei Bereiche. Im Zentrum sitzt der winzige Atomkern. Er enthält positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen. Um ihn herum liegt die Elektronenhülle aus negativ geladenen Elektronen. Sie bestimmt die Größe des Atoms und sein chemisches Verhalten.
Dieses Bild hat sich schrittweise entwickelt. Dalton sah das Atom als massive, unteilbare Kugel. Thomson setzte negative Elektronen in eine gleichmäßig positive Masse, wie Rosinen in einen Kuchen. Rutherford beschoss eine dünne Goldfolie mit Alphateilchen. Fast alle flogen hindurch, einzelne prallten stark zurück. Daraus folgte ein kleiner, positiver und schwerer Kern in viel leerem Raum.
Bohr legte die Elektronen auf feste Bahnen mit bestimmten Energien. Das heutige Orbitalmodell beschreibt nur noch, wo sich ein Elektron wahrscheinlich aufhält. Das vertieft die Einheit Atomorbitale und Quantenzahlen.
Elementarteilchen
Die drei Bausteine unterscheiden sich in Ladung und Masse. Die Ladung gibt man in Vielfachen der Elementarladung \(e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}\) an. Das Proton trägt \(+1\), das Elektron \(-1\) Elementarladung. Das Neutron ist elektrisch ungeladen. Protonen und Neutronen sitzen im Kern und heißen zusammen Nukleonen.
| Teilchen | Symbol | Ort | Ladung | Ruhemasse | Masse in u |
|---|---|---|---|---|---|
| Proton | \(\ce{p+}\) | Kern | \(+1\) | \(1{,}673 \cdot 10^{-24}\,\mathrm{g}\) | 1,0073 |
| Neutron | \(\ce{n}\) | Kern | 0 | \(1{,}675 \cdot 10^{-24}\,\mathrm{g}\) | 1,0087 |
| Elektron | \(\ce{e-}\) | Hülle | \(-1\) | \(0{,}911 \cdot 10^{-27}\,\mathrm{g}\) | 0,00055 |
Proton und Neutron wiegen fast gleich viel, das Neutron ist minimal schwerer. Das Elektron ist rund 1836-mal leichter als das Proton. Seine Masse beträgt also nur etwa 0,05 % der Protonenmasse. Praktisch die gesamte Masse eines Atoms steckt deshalb im Kern.
Weil ein Nukleon etwa 1 u wiegt, liegt die Atommasse eines Nuklids nahe an seiner Nukleonenzahl. Wie man damit rechnet, steht bei Atommasse und Stoffmenge.
Größe von Kern und Atom
Der Kern trägt fast die ganze Masse, nimmt aber kaum Raum ein. Sein Durchmesser liegt bei etwa \(10^{-15}\) bis \(10^{-14}\,\mathrm{m}\). Ein ganzes Atom misst rund \(10^{-10}\,\mathrm{m}\). Kerndurchmesser und Atomdurchmesser verhalten sich also etwa wie \(1 : \geq 10\,000\). Die Hülle ist mindestens zehntausendmal, oft bis hunderttausendmal größer als der Kern.
Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, läge der Kern als Kirsche im Mittelkreis. Der Rest ist fast leerer Raum, in dem sich die Elektronen bewegen. Das erklärt Rutherfords Befund: Die meisten Alphateilchen treffen auf nichts.
Ordnungszahl und Massenzahl
Die Ordnungszahl \(Z\) gibt an, wie viele Protonen ein Atomkern enthält. Weil jedes Proton eine positive Elementarladung trägt, ist sie zugleich die Kernladungszahl. Ordnungszahl, Kernladungszahl und Protonenzahl sind also dieselbe Zahl. Sie legt fest, um welches Element es sich handelt. Nach ihr ist auch das Periodensystem geordnet.
Kohlenstoff hat die Kernladungszahl 6, Sauerstoff 8 und Fluor 9. Silicium (14) und Germanium (32) stehen in derselben Gruppe unter Kohlenstoff und haben deshalb mehr Protonen. Auch O und F liegen mit 8 und 9 über dem Wert des Kohlenstoffs.
Die Massenzahl \(A\) zählt alle Nukleonen im Kern, also Protonen und Neutronen zusammen. Man nennt sie deshalb auch Nukleonenzahl. Sie ist eine ganze Zahl und von der Kernladungszahl klar zu trennen: \(\ce{^{16}O}\) hat die Massenzahl 16, aber die Kernladungszahl 8. Die Neutronenzahl \(N\) ergibt sich als Differenz.
\[A = Z + N \quad\Rightarrow\quad N = A - Z\]
\(A\): Massenzahl (Nukleonenzahl), \(Z\): Ordnungszahl (Protonenzahl), \(N\): Neutronenzahl, alle ohne Einheit.
Die Neutronenzahl folgt keiner festen Regel. Der gewöhnliche Wasserstoffkern \(\ce{^{1}_{1}H}\) besteht nur aus einem Proton. In \(\ce{^{4}_{2}He}\), \(\ce{^{12}_{6}C}\) und \(\ce{^{16}_{8}O}\) sind Neutronen- und Protonenzahl gleich. Schwere Kerne brauchen dagegen deutlich mehr Neutronen als Protonen. In \(\ce{^{206}_{82}Pb}\) sind es 124 Neutronen bei 82 Protonen.
Mit der Ordnungszahl wächst meist auch die Massenzahl. Die schwereren Chalkogene Schwefel, Selen und Tellur enthalten daher mehr Nukleonen als Sauerstoff. Ihre häufigsten Isotope sind \(\ce{^{32}S}\), \(\ce{^{80}Se}\) und \(\ce{^{130}Te}\) gegenüber \(\ce{^{16}O}\).
Beim Vergleichen rechnet man jedes Nuklid einzeln. Die Nuklide \(\ce{^{40}_{18}Ar}\), \(\ce{^{40}_{19}K}\) und \(\ce{^{40}_{20}Ca}\) haben dieselbe Massenzahl. Trotzdem enthalten sie 22, 21 und 20 Neutronen. Gleiches \(A\) bedeutet also nicht gleiches \(N\). Solche Beziehungen ordnet die Einheit Isotope und Isobare.
Nuklidschreibweise
Die Nuklidschreibweise fasst die Kerndaten am Elementsymbol zusammen. Sie hat die Form \(\ce{^{A}_{Z}X}\). Oben links steht die Massenzahl, unten links die Ordnungszahl.
Ein Nuklid ist eine Atomsorte mit genau festgelegter Protonen- und Neutronenzahl. Es wird durch \(Z\) und \(A\) eindeutig beschrieben.
Am Symbol gibt es zwei weitere Plätze. Oben rechts steht die Ionenladung, etwa in \(\ce{Cu^2+}\). Unten rechts steht die Zahl der Atome in einer Formel, etwa in \(\ce{O2}\). Die Neutronenzahl steht nirgends direkt. Man berechnet sie immer mit \(N = A - Z\).
Das Ablesen der Nuklidschreibweise wird im Examen gerne gefragt. Die tiefgestellte Zahl ist Ordnungs-, Protonen- und Kernladungszahl, nie die Atommasse. Bei \(\ce{^{206}_{82}Pb}\) ist 82 die Protonenzahl, die Atommasse liegt dagegen nahe 206 u.
Für ein neutrales Atom liest man so alle Teilchenzahlen ab. Die untere Zahl liefert Protonen und Elektronen. Die Differenz aus oberer und unterer Zahl liefert die Neutronen.
| Nuklid | Protonen \(Z\) | Massenzahl \(A\) | Neutronen \(N\) | Elektronen (neutral) |
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{^{3}_{1}H}\) (Tritium) | 1 | 3 | 2 | 1 |
| \(\ce{^{18}_{9}F}\) | 9 | 18 | 9 | 9 |
| \(\ce{^{37}_{17}Cl}\) | 17 | 37 | 20 | 17 |
| \(\ce{^{79}_{35}Br}\) | 35 | 79 | 44 | 35 |
| \(\ce{^{210}_{81}Tl}\) | 81 | 210 | 129 | 81 |
| \(\ce{^{204}_{82}Pb}\) | 82 | 204 | 122 | 82 |
| \(\ce{^{206}_{82}Pb}\) | 82 | 206 | 124 | 82 |
Tritium ist der schwerste Wasserstoff. Sein Kern hat drei Nukleonen, die Hülle aber nur ein Elektron. Bei \(\ce{^{18}_{9}F}\) ist die Massenzahl 18 und nicht 9.
Elektronenzahl von Atomen und Ionen
Ein neutrales Atom trägt keine Gesamtladung. Die positiven Ladungen im Kern sind also durch gleich viele Elektronen ausgeglichen. Die Elektronenzahl eines neutralen Atoms entspricht deshalb seiner Ordnungszahl. \(\ce{^{206}_{82}Pb}\) hat 82 Elektronen, \(\ce{^{79}_{35}Br}\) hat 35.
Ein Ion entsteht, wenn ein Atom Elektronen abgibt oder aufnimmt. Der Kern bleibt dabei unverändert, Ordnungs- und Massenzahl ändern sich nicht. Deshalb sind in einatomigen Ionen Protonen- und Elektronenzahl verschieden. Natrium hat 11 Protonen und 11 Elektronen, als \(\ce{Na+}\) nur noch 10 Elektronen. Chlor hat 17 Protonen und 17 Elektronen, das Chlorid-Ion \(\ce{Cl-}\) dagegen 18.
Die Ladung ist die Differenz aus Protonen- und Elektronenzahl. Daraus folgen zwei Formen derselben Beziehung:
- \(\text{Elektronenzahl} = Z - \text{Ladung}\)
- \(\text{Protonenzahl} = \text{Elektronenzahl} + \text{Ladung}\)
Die Ladung geht mit Vorzeichen ein. Bei \(\ce{Cl-}\) ist sie \(-1\), also hat das Ion \(17 - (-1) = 18\) Elektronen.
Plus heißt: Elektronen fehlen. Minus heißt: Elektronen sind zu viel.
Die drei Teilchenzahlen eines Ions solltest du sicher bestimmen können: Protonen aus \(Z\), Neutronen aus \(A - Z\), Elektronen aus \(Z\) minus Ladung. Für \(\ce{^{56}_{26}Fe^3+}\) geht das so:
- Protonen: Die untere Zahl ablesen. Eisen hat 26 Protonen.
- Neutronen: \(N = A - Z = 56 - 26 = 30\).
- Elektronen: Ordnungszahl minus Ladung, also \(26 - 3 = 23\).
Auf demselben Weg hat \(\ce{^{64}_{29}Cu^2+}\) 29 Protonen, 35 Neutronen und 27 Elektronen. Man kann auch umgekehrt rechnen. Ein dreifach positives Kation mit der Elektronenkonfiguration von Neon besitzt 10 Elektronen. Es hat also \(10 + 3 = 13\) Protonen und ist \(\ce{Al^3+}\). Wie man Edelgaskonfigurationen zuordnet, zeigt die Einheit Edelgaskonfiguration und isoelektronische Ionen.
Quiz
Aussage 1
In der Nuklidschreibweise \(\ce{^{A}_{Z}X}\) gibt die tiefgestellte Zahl die Atommasse des Nuklids an.
Die tiefgestellte Zahl ist die Ordnungs-, Protonen- und Kernladungszahl. Der Atommasse kommt die hochgestellte Massenzahl nahe.
Aussage 2
Der Durchmesser eines Atoms ist nur etwa hundertmal größer als der seines Kerns.
Kern und Atom verhalten sich im Durchmesser etwa wie \(1 : \geq 10\,000\). Die Hülle ist also mindestens zehntausendmal größer.
Aussage 3
Das Neutron ist elektrisch ungeladen und etwas schwerer als das Proton.
Das Neutron trägt die Ladung 0. Mit 1,0087 u ist es minimal schwerer als das Proton mit 1,0073 u.
Aussage 4
Die Masse eines Elektrons beträgt rund 5 % der Masse eines Protons.
Das Elektron ist etwa 1836-mal leichter als das Proton. Seine Masse liegt also nur bei etwa 0,05 % der Protonenmasse.
Aussage 5
Ein dreifach positiv geladenes Kation mit 10 Elektronen hat die Ordnungszahl 7.
Protonenzahl = Elektronenzahl + Ladung, also \(10 + 3 = 13\). Es handelt sich um \(\ce{Al^3+}\). Die Ordnungszahl 7 ergäbe sich nur bei einem dreifach negativen Anion.
Aussage 6
Germanium besitzt eine höhere Kernladungszahl als Kohlenstoff.
Germanium hat die Ordnungszahl 32, Kohlenstoff 6. Ordnungszahl und Kernladungszahl sind identisch.
Aussage 7
Tritium \(\ce{^{3}_{1}H}\) besitzt drei Nukleonen, aber nur ein Elektron.
Der Kern enthält ein Proton und zwei Neutronen. Das neutrale Atom hat so viele Elektronen wie Protonen, also eins.
Aussage 8
Das Ion \(\ce{^{56}_{26}Fe^3+}\) enthält 26 Protonen, 30 Neutronen und 23 Elektronen.
Protonen gleich \(Z = 26\), Neutronen \(56 - 26 = 30\), Elektronen \(26 - 3 = 23\).
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.