Was ist der Atombau und was sind Ionen?

Der Atombau beschreibt, wie ein Atom aus einem winzigen, positiv geladenen Atomkern und einer riesigen, negativ geladenen Atomhülle aufgebaut ist. Ionen sind Atome, die elektrisch geladen sind, weil sie Elektronen aus ihrer Hülle entweder abgegeben oder zusätzliche aufgenommen haben.

Was ist der Unterschied zwischen Protonen, Neutronen und Elektronen?

Protonen sind positiv geladen und schwer, sie befinden sich im Atomkern. Neutronen sind ebenfalls schwer, aber elektrisch neutral und sitzen auch im Kern. Elektronen hingegen sind negativ geladen, extrem leicht und bewegen sich in der riesigen Atomhülle um den Kern herum.

Wie bestimmst du die Anzahl der Neutronen in einem Atom?

Die Anzahl der Neutronen berechnest du ganz einfach mit der Formel: Massenzahl minus Ordnungszahl . Die Ordnungszahl (unten) gibt die Anzahl der Protonen an, während die Massenzahl (oben) die Summe aus Protonen und Neutronen im Kern ist. Die Differenz ergibt die Neutronen.

Isotope sind Atome desselben Elements, die sich in ihrer Masse unterscheiden. Sie haben immer die gleiche Anzahl an Protonen (gleiche Ordnungszahl), aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen im Atomkern. Ein bekanntes Beispiel ist Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14.

Wie entstehen positive und negative Ionen?

Ein positives Ion (Kation) entsteht, wenn ein neutrales Atom ein oder mehrere negative Elektronen abgibt. Dadurch überwiegt die positive Ladung der Protonen im Kern. Ein negatives Ion (Anion) entsteht, wenn das Atom zusätzliche Elektronen aufnimmt, wodurch die negative Ladung in der Hülle überwiegt.

Atombau und Ionen einfach erklärt

Wusstest du, dass du fast vollständig aus leerem Raum bestehst? Wenn wir alle Atome in deinem Körper so stark zusammenpressen würden, dass der leere Raum verschwindet, wärst du kleiner als ein Sandkorn – würdest aber immer noch genauso viel wiegen!

In diesem Thema tauchen wir in die unsichtbare Welt der Atome ein. Wir schauen uns an, aus welchen Bausteinen sie bestehen, wie wir sie wie einen Geheimcode lesen können und was passiert, wenn Atome elektrisch aufgeladen werden.

Vorwissen

Elektrische Ladungen: Gegensätze ziehen sich an. Plus und Minus haften aneinander, während sich gleiche Ladungen (Plus und Plus oder Minus und Minus) abstoßen.

Beispiel: Ein Magnet hat zwar Nord- und Südpole, aber das Prinzip der Anziehung von Gegensätzen ist bei elektrischen Ladungen sehr ähnlich.

Aufgabentyp 1: Der Aufbau des Atoms und seine gigantischen Dimensionen

Jedes Atom besteht aus zwei Hauptbereichen: dem winzigen Atomkern im Zentrum und der riesigen Atomhülle (oder Elektronenhülle) außen herum.

In diesen Bereichen befinden sich drei Arten von Bausteinen:

Protonen: Sie sind positiv geladen und befinden sich im Atomkern. Sie sind sehr schwer.
Neutronen: Sie haben keine Ladung (sie sind neutral) und sitzen ebenfalls im Atomkern. Sie sind genauso schwer wie Protonen.
Elektronen: Sie sind negativ geladen und flitzen in der Atomhülle um den Kern herum. Sie sind extrem leicht – fast schwerelos im Vergleich zum Kern.

Weil Protonen und Neutronen so schwer sind, befindet sich fast die gesamte Masse des Atoms im winzigen Kern. Die Ladung des Kerns ist immer positiv, während die Hülle negativ ist.

Der Größenunterschied zwischen Kern und Hülle ist unvorstellbar groß.

Stell dir vor, der Atomkern wäre so groß wie eine Erbse und läge auf dem Anstoßpunkt eines Fußballstadions. Die Atomhülle würde bis zu den äußersten Sitzplätzen des Stadions reichen! Dazwischen ist absolut nichts – nur leerer Raum.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Der Kern eines Uranatoms hat einen Durchmesser von etwa $0{,}000\,000\,000\,000\,016 \text{ m}$ , während der Durchmesser der Elektronenhülle etwa $0{,}000\,000\,001\,6 \text{ m}$ beträgt. Berechne, wie groß der Durchmesser der Hülle wäre, wenn wir den Kern in einem Modell auf genau $1 \text{ mm}$ vergrößern würden.

Fortschritt

3 / 3

Schritt 1
Das Größenverhältnis berechnen
Wir müssen herausfinden, wie viel mal größer die Hülle im Vergleich zum Kern ist. Dazu teilen wir den Durchmesser der Hülle durch den Durchmesser des Kerns.

$0{,}000\,000\,001\,6 \text{ m} / 0{,}000\,000\,000\,000\,016 \text{ m} = 100\,000$

Die Hülle ist also $100\,000$ -mal größer als der Kern.
Schritt 2
Die Modellgröße berechnen
Wenn der Kern in unserem Modell $1 \text{ mm}$ groß ist, müssen wir diesen Wert mit unserem berechneten Verhältnis multiplizieren.

$1 \text{ mm} \cdot 100\,000 = 100\,000 \text{ mm}$
Schritt 3 · Ergebnis
In eine verständliche Einheit umrechnen
$100\,000 \text{ mm}$ sind $100 \text{ m}$ .

Ergebnis:

Wenn der Kern auf $1 \text{ mm}$ vergrößert wird, hätte die Elektronenhülle einen Durchmesser von $100 \text{ m}$ . Realitätscheck: $100 \text{ m}$ entspricht in etwa der Länge eines Fußballfeldes. Das passt perfekt zu unserer Stadion-Analogie!

Quiz zu Atombau und Ionen: Teste dein Wissen

Löse eine kostenlose Quizfrage zu Atombau und Ionen und prüfe, ob du die wichtigsten Schritte verstanden hast.

Quizfrage 1 zu Atombau und Ionen

Welche elektrische Ladung haben der Atomkern und die Atomhülle?

Quizfrage 2 zu Atombau und Ionen

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Wie groß wäre der Durchmesser der Elektronenhülle, wenn ein Atomkern in einem Modell auf genau $1 \text{ mm}$ vergrößert würde?

Übungsaufgabe zu Atombau und Ionen

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Aufgabentyp 2: Isotopschreibweise und Bestimmung der Teilchenzahlen

Um nicht immer alle Teilchen eines Atoms aufzeichnen zu müssen, nutzen Chemiker und Physiker eine clevere Kurzschreibweise.

Ein normales, neutrales Atom hat immer genau gleich viele positive Protonen wie negative Elektronen. Dadurch heben sich die Ladungen auf.

Die wichtigsten Begriffe, die du kennen musst:

Ordnungszahl (auch Kernladungszahl oder Protonenzahl): Gibt an, wie viele Protonen im Kern sind. Sie bestimmt, um welches Element es sich handelt (z. B. hat Kohlenstoff immer 6 Protonen).
Massenzahl: Ist die Summe aus Protonen und Neutronen (den schweren Teilchen im Kern).
Isotope: Manchmal haben Atome desselben Elements unterschiedlich viele Neutronen. Sie sind also unterschiedlich schwer, bleiben aber dasselbe Element. Diese Varianten nennt man Isotope.

Die Standard-Schreibweise sieht so aus: $^{\textcolor{#1E90FF}{A}}_{\textcolor{#08BFFF}{Z}}\text{X}$

Dabei ist $\text{X}$ das Symbol des Elements, $\textcolor{#1E90FF}{A}$ ist die Massenzahl (oben) und $\textcolor{#08BFFF}{Z}$ ist die Ordnungszahl (unten).

Isotopschreibweise mit Massenzahl und Ordnungszahl

Manchmal schreibt man auch nur den Namen und die Massenzahl, zum Beispiel $\text{C-12}$ oder $\text{Kohlenstoff-12}$ . Da Kohlenstoff immer die Ordnungszahl 6 hat, kann man diese weglassen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Protonen bestimmen: Lies die Ordnungszahl (die untere Zahl) ab. Das ist direkt die Anzahl der Protonen. Wenn nur die Schreibweise wie $\text{C-12}$ gegeben ist, schlage das Element im Periodensystem nach, um seine Ordnungszahl zu finden.
Elektronen bestimmen: Bei einem neutralen Atom ist die Anzahl der Elektronen exakt gleich der Anzahl der Protonen.
Neutronen berechnen: Subtrahiere die Ordnungszahl (unten) von der Massenzahl (oben). Formel: $\text{Anzahl } \textcolor{#53E5D6}{\text{Neutronen}} = \textcolor{#1E90FF}{\text{Massenzahl}} - \textcolor{#08BFFF}{\text{Ordnungszahl}}$

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Bestimme die exakte Anzahl an Protonen, Neutronen und Elektronen für die folgenden neutralen Isotope: $^{\textcolor{#1E90FF}{3}}_{\textcolor{#08BFFF}{1}}\text{H}$ , $^{\textcolor{#1E90FF}{12}}_{\textcolor{#08BFFF}{6}}\text{C}$ , $\text{Cs-137}$ (Ordnungszahl 55) und $\text{Pb-208}$ (Ordnungszahl 82).

Fortschritt

3 / 3

1
Schritt 1
Protonen bestimmen
Wir lesen die untere Zahl (Ordnungszahl) ab oder nutzen die Angabe im Text:
- $^{\textcolor{#1E90FF}{3}}_{\textcolor{#08BFFF}{1}}\text{H}$ : $\textcolor{#08BFFF}{1}$ Proton
- $^{\textcolor{#1E90FF}{12}}_{\textcolor{#08BFFF}{6}}\text{C}$ : $\textcolor{#08BFFF}{6}$ Protonen
- $\text{Cs-137}$ : $\textcolor{#08BFFF}{55}$ Protonen
- $\text{Pb-208}$ : $\textcolor{#08BFFF}{82}$ Protonen
2
Schritt 2
Elektronen bestimmen
Da es neutrale Atome sind, ist die Anzahl der Elektronen gleich der Protonen:
- $^{\textcolor{#1E90FF}{3}}_{\textcolor{#08BFFF}{1}}\text{H}$ : $\textcolor{#9570FF}{1}$ Elektron
- $^{\textcolor{#1E90FF}{12}}_{\textcolor{#08BFFF}{6}}\text{C}$ : $\textcolor{#9570FF}{6}$ Elektronen
- $\text{Cs-137}$ : $\textcolor{#9570FF}{55}$ Elektronen
- $\text{Pb-208}$ : $\textcolor{#9570FF}{82}$ Elektronen
3
Schritt 3 · Ergebnis
Neutronen berechnen
Wir rechnen $\textcolor{#1E90FF}{\text{Massenzahl}} - \textcolor{#08BFFF}{\text{Ordnungszahl}}$ :
- $^{\textcolor{#1E90FF}{3}}_{\textcolor{#08BFFF}{1}}\text{H}$ : $3 - 1 = \textcolor{#53E5D6}{2}$ Neutronen
- $^{\textcolor{#1E90FF}{12}}_{\textcolor{#08BFFF}{6}}\text{C}$ : $12 - 6 = \textcolor{#53E5D6}{6}$ Neutronen
- $\text{Cs-137}$ : $137 - 55 = \textcolor{#53E5D6}{82}$ Neutronen
- $\text{Pb-208}$ : $208 - 82 = \textcolor{#53E5D6}{126}$ Neutronen

Ergebnis:

Die Teilchenzahlen für die Isotope sind damit vollständig bestimmt.

Aufgabentyp 3: Aufstellen von Ionenbildungsgleichungen

Atome sind normalerweise neutral. Aber manchmal gewinnen oder verlieren sie Elektronen in ihrer Hülle. Wenn das passiert, stimmt das Gleichgewicht zwischen positiven Protonen und negativen Elektronen nicht mehr. Das Atom wird elektrisch geladen und heißt dann Ion.

Elektronen abgeben: Wenn ein Atom negative Elektronen verliert, hat es plötzlich mehr positive Protonen als negative Elektronen. Es wird zu einem positiven Ion (Kation).

Beispiel: Magnesium ( $\text{Mg}$ ) gibt zwei Elektronen ab.

Gleichung: $\text{Mg} \to \text{Mg}^{2+} + 2\text{e}^{-}$
Elektronen aufnehmen: Wenn ein Atom zusätzliche negative Elektronen aufnimmt, überwiegt die negative Ladung. Es wird zu einem negativen Ion (Anion).

Beispiel: Chlor ( $\text{Cl}$ ) nimmt ein Elektron auf.

Gleichung: $\text{Cl} + \text{e}^{-} \to \text{Cl}^{-}$

Darstellung der Ionenbildung durch Elektronenübergang

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Das Ausgangsatom und das Ion identifizieren: Schau dir an, welches Element links vom Pfeil steht (das neutrale Atom) und welches Ion rechts steht.
Die Ladungsänderung bestimmen: Vergleiche die Ladung. Eine positive Ladung (z. B. $3+$ ) bedeutet, dass Elektronen abgegeben wurden. Eine negative Ladung (z. B. $2-$ ) bedeutet, dass Elektronen aufgenommen wurden.
Die Elektronen ( $\text{e}^{-}$ ) platzieren: Wurden Elektronen aufgenommen, schreibe sie auf die linke Seite des Pfeils (zum Atom dazu). Wurden Elektronen abgegeben, schreibe sie auf die rechte Seite des Pfeils (als separates Produkt). Achte darauf, dass die Anzahl der Elektronen genau der Zahl der Ladung entspricht.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Vervollständige die folgenden chemischen Gleichungen zur Ionenbildung, indem du die fehlenden Atome, Ionen oder Elektronen ( $\text{e}^{-}$ ) einsetzt:

$? \to \text{Ag}^{+} + \text{e}^{-}$
$? + 2\text{e}^{-} \to \text{S}^{2-}$
$\text{Al} \to \text{Al}^{3+} + ?$

Fortschritt

3 / 3

Schritt 1
Gleichung 1 analysieren
Gegeben: $? \to \text{Ag}^{+} + \text{e}^{-}$

Auf der rechten Seite sehen wir ein Silber-Ion ( $\text{Ag}^{+}$ ) und ein abgegebenes Elektron ( $\text{e}^{-}$ ). Das bedeutet, das ursprüngliche neutrale Atom auf der linken Seite muss Silber ( $\text{Ag}$ ) gewesen sein.

Lösung 1: $\text{Ag} \to \text{Ag}^{+} + \text{e}^{-}$
Schritt 2
Gleichung 2 analysieren
Gegeben: $? + 2\text{e}^{-} \to \text{S}^{2-}$

Auf der linken Seite werden zwei Elektronen aufgenommen. Auf der rechten Seite entsteht ein Schwefel-Ion ( $\text{S}^{2-}$ ). Das neutrale Ausgangsatom muss also Schwefel ( $\text{S}$ ) sein.

Lösung 2: $\text{S} + 2\text{e}^{-} \to \text{S}^{2-}$
Schritt 3 · Ergebnis
Gleichung 3 analysieren
Gegeben: $\text{Al} \to \text{Al}^{3+} + ?$

Aluminium ( $\text{Al}$ ) wird zu einem dreifach positiven Ion ( $\text{Al}^{3+}$ ). Um dreifach positiv zu werden, muss es genau drei negative Ladungen (Elektronen) abgeben. Diese müssen auf die rechte Seite.

Lösung 3: $\text{Al} \to \text{Al}^{3+} + 3\text{e}^{-}$

Ergebnis:

Die vervollständigten Reaktionsgleichungen lauten: 1. $\text{Ag} \to \text{Ag}^{+} + \text{e}^{-}$ , 2. $\text{S} + 2\text{e}^{-} \to \text{S}^{2-}$ , 3. $\text{Al} \to \text{Al}^{3+} + 3\text{e}^{-}$ .

Wichtige Erkenntnisse

Der Atomkern ist winzig, schwer und positiv geladen (Protonen und Neutronen). Die Atomhülle ist riesig, fast schwerelos und negativ geladen (Elektronen).
Ordnungszahl = Anzahl der Protonen.
Massenzahl = Protonen + Neutronen.
Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlich vielen Neutronen.
Gibt ein Atom Elektronen ab, wird es zu einem positiven Ion. Nimmt es Elektronen auf, wird es zu einem negativen Ion.

Atombau und Ionen einfach erklärt: Aufbau & Beispiele