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Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, E-Niveau

Das Atommodell - Chemie

Einleitung

Atome sind die kleinsten Bausteine, aus denen chemische Elemente bestehen. Man kann sie nicht mit bloßem Auge sehen. Deshalb nutzen Naturwissenschaftlerinnen und Naturwissenschaftler Modelle. Ein Atommodell ist keine Fotografie, sondern eine vereinfachte Vorstellung, mit der Beobachtungen erklärt und Vorhersagen gemacht werden können.

In diesem aiMOOC lernst Du die wichtigsten Stationen vom Dalton-Modell über das Thomson-Modell, das Kern-Hülle-Modell und das Bohrsche Schalenmodell bis zum modernen Orbitalmodell kennen. Dabei prüfst Du immer: Was erklärt ein Modell? Wo liegen seine Grenzen?

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du den Aufbau eines Atoms beschreiben, Protonen, Neutronen und Elektronen unterscheiden, die Entwicklung wichtiger Atommodelle erklären und Modelle anhand von Beobachtungen beurteilen. Außerdem kannst Du einfache Schalenbesetzungen zeichnen und zwischen Bahn, Schale und Orbital unterscheiden.

Warum brauchen wir Atommodelle?

Atome sind sehr klein. Ein typischer Atomradius liegt ungefähr bei $r_{Atom} \approx 1 0^{- 10} m$ . Der Atomkern ist mit ungefähr $1 0^{- 15} m$ noch viel kleiner. Direkte Alltagsbeobachtungen reichen deshalb nicht aus.

Ein Modell verbindet drei Bereiche:

Beobachtung	Modellvorstellung	Erklärung oder Vorhersage
Stoffe reagieren in festen Mengenverhältnissen.	Materie besteht aus unterscheidbaren Atomen.	Atome werden bei Reaktionen neu angeordnet.
Einzelne Alphateilchen werden stark abgelenkt.	Positive Ladung und fast die gesamte Masse sitzen in einem winzigen Kern.	Das Atom besitzt viel leeren Raum.
Atome senden nur bestimmte Lichtfarben aus.	Elektronen können nur bestimmte Energiezustände einnehmen.	Spektrallinien entstehen durch Energieübergänge.

Merke: Ein gutes Modell erklärt viele Beobachtungen. Neue Experimente können zeigen, dass es erweitert oder ersetzt werden muss.

Grundaufbau des Atoms

Ein Atom besteht aus einem sehr kleinen Atomkern und einer deutlich größeren Atomhülle. Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen. In der Hülle befinden sich Elektronen.

Teilchen	Ort	Elektrische Ladung	Ungefähre relative Masse
Proton	Atomkern	positiv	1
Neutron	Atomkern	neutral	1
Elektron	Atomhülle	negativ	$\frac{1}{1836}$

Die Ordnungszahl $Z$ gibt die Zahl der Protonen an. Bei einem neutralen Atom ist die Zahl der Elektronen gleich der Zahl der Protonen. Die Massenzahl $A$ ist die Summe aus Protonen und Neutronen:

A = Z + N

Dabei steht $N$ für die Neutronenzahl. Atome eines Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl heißen Isotope.

Entwicklung der Atommodelle

Das Dalton-Modell

John Dalton stellte zu Beginn des 19. Jahrhunderts eine wissenschaftlich begründete Atomtheorie auf. In seinem Modell sind Atome kleine, massive Kugeln. Atome eines Elements besitzen typische Eigenschaften und unterscheiden sich von den Atomen anderer Elemente. Bei chemischen Reaktionen werden Atome nicht erzeugt oder vernichtet, sondern neu angeordnet.

Das Modell erklärt die Massenerhaltung und feste Zahlenverhältnisse in chemischen Verbindungen. Es kann aber weder elektrische Ladungen noch Isotope oder den inneren Aufbau des Atoms erklären.

Das Thomson-Modell

J. J. Thomson wies 1897 das Elektron nach. Damit war klar: Atome sind nicht unteilbar. Um 1903 beschrieb Thomson das Atom als positiv geladene Kugel, in die negativ geladene Elektronen eingebettet sind. Dieses Bild wird oft Rosinenkuchenmodell oder Plumpudding-Modell genannt.

Das Modell erklärt die elektrische Neutralität des Atoms. Es enthält jedoch keinen konzentrierten Atomkern und scheitert deshalb an den Ergebnissen des Rutherfordschen Streuversuchs.

Der Rutherfordsche Streuversuch

Hans Geiger und Ernest Marsden beschossen eine sehr dünne Goldfolie mit positiv geladenen Alphateilchen. Die meisten Teilchen flogen nahezu ungehindert hindurch. Einige wurden deutlich abgelenkt, sehr wenige sogar zurückgestreut.

Rutherford deutete die Beobachtungen 1911 so:

Fast das gesamte Atomvolumen ist leerer Raum.
Die positive Ladung ist in einem sehr kleinen Kern konzentriert.
Fast die gesamte Masse des Atoms befindet sich im Kern.
Die Elektronen bilden die Hülle.

Das Kern-Hülle-Modell erklärt die Streuergebnisse. Es erklärt nach klassischer Physik jedoch nicht, warum Elektronen nicht in den Kern stürzen, und es erklärt keine Linienspektren.

Das Bohrsche Atommodell und das Schalenmodell

Niels Bohr ergänzte 1913 die Vorstellung bestimmter erlaubter Energiezustände. Im anschaulichen Bohrschen Modell bewegen sich Elektronen auf festgelegten Bahnen. Im schulischen Schalenmodell werden diese Energiebereiche als K-, L-, M- und weitere Schalen dargestellt.

Elektronen können Energie aufnehmen und in einen höheren Zustand wechseln. Beim Zurückfallen wird Energie als Licht abgegeben:

Δ E = h \cdot ν

Dabei ist $Δ E$ der Energieunterschied, $h$ das Plancksche Wirkungsquantum und $ν$ die Frequenz des Lichts.

Das Modell erklärt das Linienspektrum des Wasserstoffatoms gut. Für Atome mit mehreren Elektronen und für genaue chemische Bindungsmodelle reicht es nicht aus.

Schalenbesetzung in der Schule

Für einfache Aufgaben der ersten drei Perioden ist das Schalenmodell besonders nützlich. Die Elektronen werden von innen nach außen verteilt. In der vereinfachten Schulbetrachtung gilt häufig: K-Schale höchstens 2 Elektronen, L-Schale höchstens 8 Elektronen und für die ersten 20 Elemente zunächst 8 Elektronen auf der Außenschale.

Beispiel Natrium: Natrium besitzt die Ordnungszahl 11. Ein neutrales Natriumatom hat deshalb 11 Protonen und 11 Elektronen. Die Elektronenverteilung lautet 2 | 8 | 1. Das einzelne Außenelektron ist ein Valenzelektron.

Die Zahl der Valenzelektronen hilft bei Hauptgruppenelementen, chemische Eigenschaften und typische Ionenladungen zu verstehen. Das Schalenmodell bleibt jedoch eine Vereinfachung.

Das moderne Orbitalmodell

Im Orbitalmodell werden Elektronen nicht als kleine Kugeln auf genau bekannten Kreisbahnen beschrieben. Ein Atomorbital gibt einen quantenmechanischen Zustand und die räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons an. Orbitale können unterschiedliche Formen besitzen, zum Beispiel s-, p-, d- und f-Orbitale.

Die dichteren Bereiche einer Elektronenwolke stehen für eine größere Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Eine Bahn wie bei einem Planeten ist damit nicht gemeint. Das Orbitalmodell ist die Grundlage der modernen Beschreibung von Atomen und chemischen Bindungen. Für viele Schulaufgaben wird trotzdem das einfachere Schalenmodell genutzt.

Modelle vergleichen

Modell	Zentrale Vorstellung	Stärke	Grenze
Dalton	Massive, elementspezifische Kugeln	Erklärt Stoffumwandlungen als Neuordnung	Kein innerer Aufbau
Thomson	Elektronen in positiver Grundmasse	Berücksichtigt Elektronen und Neutralität	Kein kleiner Atomkern
Rutherford	Kleiner Kern und große Hülle	Erklärt den Streuversuch	Keine stabilen Energiezustände
Bohr und Schalenmodell	Bestimmte Bahnen oder Energieschalen	Erklärt Wasserstoffspektrum und einfache Elektronenverteilungen	Für Mehrelektronenatome nur begrenzt
Orbitalmodell	Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und quantisierte Zustände	Grundlage moderner Atom- und Bindungsmodelle	Mathematisch anspruchsvoll

Wichtig: Ältere Modelle sind nicht einfach wertlos. Dalton hilft weiterhin bei Reaktionsgleichungen, das Kern-Hülle-Modell beim grundlegenden Atombau und das Schalenmodell bei Valenzelektronen. Entscheidend ist, für welche Frage ein Modell verwendet wird.

Vom Atommodell zur Chemie

Atommodelle helfen Dir, zentrale Themen der Chemie zu verstehen:

Periodensystem: Die Ordnungszahl entspricht der Protonenzahl. Elemente einer Hauptgruppe besitzen ähnliche Valenzelektronenkonfigurationen.
Ionen: Gibt ein Atom Elektronen ab oder nimmt es Elektronen auf, entsteht ein geladenes Teilchen.
Chemische Bindung: Valenzelektronen sind an Ionenbindung, Atombindung und Metallbindung beteiligt.
Reaktionsgleichung: Nach Dalton lassen sich Reaktionen als Neuordnung von Atomen darstellen.
Spektroskopie: Energieübergänge der Elektronen erzeugen charakteristische Spektrallinien.

Häufige Missverständnisse

Missverständnis	Korrektur
Ein Atommodell zeigt genau, wie ein Atom aussieht.	Ein Modell ist eine zweckgebundene Vereinfachung.
Elektronen kreisen sicher auf festen Bahnen.	Feste Kreisbahnen gehören zum Bohr-Modell; modern werden Orbitale verwendet.
Der Atomkern nimmt viel Platz ein.	Der Kern enthält fast die gesamte Masse, aber nur einen winzigen Teil des Volumens.
Alle Atome eines Elements sind vollständig gleich.	Sie besitzen gleich viele Protonen, können aber unterschiedlich viele Neutronen haben.
Ein neues Modell macht alle älteren Modelle nutzlos.	Ältere Modelle bleiben in passenden Anwendungsbereichen hilfreich.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist ein Atommodell? (Eine vereinfachte Vorstellung zur Erklärung von Beobachtungen) (!Eine vergrößerte Fotografie eines Atoms) (!Ein chemisches Element) (!Ein Messgerät für Elektronen)

Welches Teilchen bestimmt durch seine Anzahl das chemische Element? (Proton) (!Neutron) (!Elektron) (!Photon)

Welche Aussage gehört zum Dalton-Modell? (Bei chemischen Reaktionen werden Atome neu angeordnet) (!Elektronen bewegen sich in Orbitalen) (!Die positive Ladung sitzt in einem winzigen Kern) (!Elektronen springen zwischen Energieschalen)

Wie heißt das Atommodell von Thomson auch? (Rosinenkuchenmodell) (!Kern-Hülle-Modell) (!Orbitalmodell) (!Tröpfchenmodell)

Welche Beobachtung machte man beim Rutherfordschen Streuversuch? (Sehr wenige Alphateilchen wurden stark abgelenkt) (!Alle Alphateilchen wurden vollständig verschluckt) (!Alle Alphateilchen flogen exakt geradeaus) (!Die Goldfolie begann dauerhaft zu leuchten)

Welche Schlussfolgerung zog Rutherford? (Die positive Ladung ist in einem kleinen Kern konzentriert) (!Die positive Ladung ist gleichmäßig im ganzen Atom verteilt) (!Atome besitzen keine Elektronen) (!Der Atomkern ist negativ geladen)

Was beschreibt das Bohrsche Atommodell? (Erlaubte Energiezustände der Elektronen) (!Beliebige Elektronenenergien ohne Abstufung) (!Einen Atomkern ohne Hülle) (!Atome als vollständig unteilbare Kugeln)

Wie lautet die vereinfachte Elektronenverteilung von Natrium? (2 8 1) (!2 7 2) (!8 2 1) (!1 8 2)

Was ist ein Orbital? (Ein quantenmechanischer Zustand mit räumlicher Aufenthaltswahrscheinlichkeit) (!Eine feste Kreisbahn um den Atomkern) (!Ein positiv geladenes Kernteilchen) (!Eine Verbindung aus mehreren Atomkernen)

Warum werden in der Schule mehrere Atommodelle verwendet? (Weil verschiedene Modelle für verschiedene Fragen nützlich sind) (!Weil alle Modelle genau gleich sind) (!Weil kein Modell Beobachtungen erklären kann) (!Weil Atome ihre Form täglich ändern)

Memory

Dalton	Massive Kugel
Thomson	Rosinenkuchen
Rutherford	Kern und Hülle
Bohr	Energiezustände
Orbital	Aufenthaltswahrscheinlichkeit
Proton	Positive Ladung
Neutron	Neutraler Kernbaustein
Elektron	Negative Ladung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Aussage
Dalton-Modell	Atome werden als massive Kugeln dargestellt.
Thomson-Modell	Elektronen sind in eine positive Grundmasse eingebettet.
Rutherford-Modell	Ein kleiner positiver Kern ist von einer großen Hülle umgeben.
Bohrsches Modell	Elektronen besitzen bestimmte erlaubte Energiezustände.
Orbitalmodell	Elektronen werden durch Aufenthaltswahrscheinlichkeiten beschrieben.

Ordne die Modelle anschließend auf einem Zeitstrahl von der ältesten zur modernen Vorstellung.

Kreuzworträtsel

Dalton	Wer beschrieb Atome als massive Kugeln?
Thomson	Wer entwickelte das Rosinenkuchenmodell?
Rutherford	Wer deutete die starke Ablenkung weniger Alphateilchen?
Elektron	Welches negativ geladene Teilchen befindet sich in der Atomhülle?
Proton	Welches positiv geladene Teilchen befindet sich im Atomkern?
Orbital	Wie heißt ein quantenmechanischer Zustand mit räumlicher Aufenthaltswahrscheinlichkeit?

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Lückentext

Ein Atommodell ist eine vereinfachte

von einem Atom. Im Dalton-Modell werden Atome als massive

beschrieben. Thomson nahm negativ geladene

in einer positiven Grundmasse an. Beim Rutherfordschen Streuversuch wurden die meisten Alphateilchen kaum

. Daraus folgerte Rutherford, dass Atome größtenteils aus leerem

bestehen. Die positive Ladung und fast die gesamte Masse befinden sich im Atomkern. Bohr führte bestimmte erlaubte

ein. Beim Übergang in einen niedrigeren Zustand kann Licht abgegeben werden. Im schulischen Schalenmodell heißen die Elektronen der äußersten Schale

. Ein neutrales Atom besitzt gleich viele Protonen und

. Im modernen Orbitalmodell beschreibt ein Orbital die räumliche

eines Elektrons. Ein Modell muss immer nach seinem Zweck und seinen

beurteilt werden.

Offene Aufgaben

Leicht

Modellskizze: Zeichne die Vorstellungen von Dalton, Thomson, Rutherford und Bohr jeweils in einem einfachen Bild und beschrifte die wichtigsten Bestandteile.
Begriffsnetz: Erstelle ein Begriffsnetz mit Atom, Kern, Hülle, Proton, Neutron, Elektron und Ladung.
Natriumatom: Zeichne ein Natriumatom im Schalenmodell und erkläre die Verteilung 2 | 8 | 1 in drei Sätzen.
Modellgrenze: Wähle ein Atommodell und notiere eine Stärke sowie eine Grenze.

Standard

Streuversuch: Baue mit Murmeln oder Kugeln ein ungefährliches Modell des Rutherfordschen Streuversuchs. Dokumentiere, welche Anordnung viele und welche wenige starke Ablenkungen erzeugt.
Zeitstrahl: Gestalte einen Zeitstrahl der Atommodelle mit Forschenden, Beobachtungen, Modellideen und Grenzen.
Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video, in dem Du den Unterschied zwischen Schale, Bahn und Orbital erklärst.
Modellvergleich: Vergleiche Dalton-, Rutherford- und Orbitalmodell anhand einer selbst entwickelten Kriterienmatrix.

Schwer

Spektrallinien: Recherchiere, wie Linienspektren entstehen, und erkläre, warum sie das Bohrsche Modell unterstützen, aber auch zu moderneren Modellen führen.
Wissenschaftlicher Wandel: Verfasse einen argumentativen Text darüber, warum das Ersetzen eines Modells kein Scheitern der Wissenschaft ist.
Unterrichtsmodell: Entwickle ein eigenes tastbares Atommodell für Lernende mit Sehbeeinträchtigung und begründe Materialwahl, Aussagekraft und Grenzen.
Interviewprojekt: Befrage eine Chemielehrkraft oder eine Person aus einem naturwissenschaftlichen Beruf dazu, welche Atommodelle in der Praxis verwendet werden. Werte die Antworten aus.

Lernkontrolle

Experiment und Deutung: Erkläre aus den Beobachtungen des Rutherfordschen Streuversuchs, warum das Thomson-Modell nicht ausreicht. Nutze eine Wenn-dann-Begründung.
Modellauswahl: Entscheide, welches Atommodell sich am besten eignet, um eine Reaktionsgleichung, die Bildung eines Natriumions und ein Wasserstoffspektrum zu erklären. Begründe jede Auswahl.
Fehleranalyse: Eine Schülerin sagt: „Elektronen sind kleine Planeten auf festen Bahnen.“ Prüfe die Aussage mithilfe des Bohr- und Orbitalmodells.
Transfer auf das Periodensystem: Erkläre mit dem Schalenmodell, warum Natrium und Kalium ähnliche chemische Eigenschaften besitzen.
Modellkritik: Entwickle drei Kriterien für ein gutes naturwissenschaftliches Modell und wende sie auf das Rutherford-Modell an.
Darstellungswechsel: Überführe eine Schalenzeichnung eines Sauerstoffatoms in eine sprachliche Beschreibung und erläutere, welche Information dabei verloren gehen kann.

Lernnachweis

Für einen überzeugenden Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

den Aufbau aus Atomkern und Atomhülle fachsprachlich korrekt beschreiben kannst,
Protonen, Neutronen und Elektronen nach Ort, Ladung und Masse unterscheidest,
Dalton-, Thomson-, Rutherford-, Bohr- und Orbitalmodell in eine sinnvolle Entwicklung einordnest,
den Rutherfordschen Streuversuch von der Beobachtung zur Schlussfolgerung erklären kannst,
einfache Elektronenverteilungen im Schalenmodell darstellst,
zwischen Elektronenbahn, Elektronenschale und Orbital unterscheidest,
Stärken und Grenzen eines Modells begründet beurteilst,
ein Atommodell passend zu einer chemischen Fragestellung auswählst.

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