Ein einzelnes Sandkorn enthält etwa 2,3 x 10 ^ 19 Siliciumdioxidmoleküle. Das mag viel erscheinen, aber das Sandkorn enthält noch mehr Atome als Moleküle, da jedes Siliziumdioxidmolekül aus drei Atomen besteht. Beziehungen bestehen zwischen Atomen, Ionen, Molekülen und Verbindungen, aber diese Entitäten weisen auch erhebliche Unterschiede auf.
Atome: Die Bausteine der Materie
Atome sind unglaublich kleine Partikel, aus denen alles besteht. Wenn Sie in eines
hineinschauen könnten, würden Sie ein oder mehrere winzige Elektronen sehen, die einen Kern umkreisen, den zentralen Ort, an dem sich größere Protonen und Neutronen befinden. Protonen haben positive Ladungen, Elektronen haben negative Ladungen und Neutronen sind elektrisch neutral. Atome selbst sind elektrisch neutral, wenn sie die gleiche Anzahl von Elektronen und Protonen enthalten. Jedes Proton und Neutron in einem Atom besteht aus drei kleineren Teilchen, die Quarks genannt werden. Ein Ion
unterscheidet sich von einem regulären Atom dadurch, dass es eine ungleiche Anzahl von Elektronen und Protonen enthält. Wenn ein Atom Elektronen verliert, erhält es eine positive Ladung. Das Erhalten von Elektronen erzeugt ein negativ geladenes Atom. Ein Ion hat Reaktivität und chemische Eigenschaften, die sich von einem neutralen Atom unterscheiden. Eine spektakuläre Darstellung der Ionenaktivität erfolgt, wenn das ultraviolette Licht der Sonne auf Gasmoleküle im Koma eines Kometen trifft und
einen Ionenschwanz erzeugt.
Verbindungen vs. Elemente: Wichtige Unterscheidungen
Größer als ein Atom, ein Molekül ist eine Gruppe von gebundenen Atomen. Atome können auf verschiedene Arten kombiniert werden, um Moleküle und Verbindungen zu bilden. Ein Element wie Gold besteht aus Molekülen nur eines Atomtyps, während Verbindungen unterschiedliche Atomtypen aufweisen. Anhand der chemischen Formel können Sie erkennen, wie viele Atome jeder Art in einem Molekül oder einer
Verbindung vorhanden sind. Wasser, eine der am häufigsten vorkommenden Verbindungen, besteht aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom. Die chemische Formel lautet H2O. Der Index 2 nach H, dem elementaren Symbol für Wasserstoff, weist darauf hin, dass Wasser 2 Wasserstoffatome hat. Befindet sich in einer chemischen Formel nach einem Elementsymbol keine Zahl, z. B. mit dem O in H2O, so wird davon ausgegangen, dass das Molekül nur ein Atom enthält. Aus diesem Grund lautet die Wasserformel H2O
anstelle von H2O1.
Interessante atomare Leckerbissen
Über 13 Millionen Verbindungen existieren, obwohl die Wissenschaftler nur 109 Elemente kennen. Diese enorme Anzahl von Verbindungen ist möglich, weil sich Elemente auf verschiedene Weise zu Verbindungen verbinden. Ein Isotop ist eine Form eines Elements, das eine andere Anzahl von Neutronen enthält als das ursprüngliche Element. Wasserstoff hat zum Beispiel nur ein Proton. Wasserstoffisotope können jedoch null, ein oder zwei Neutronen enthalten. Da das Verhältnis von Neutronen zu Protonen in einem Isotop nicht ausgeglichen ist, versucht der Kern eines Isotops häufig, sich durch Veränderung der Anzahl der Protonen oder Neutronen, die sich im Kern befinden, zu stabilisieren. In diesem Fall erzeugt der Kern ionisierende Strahlung
Abschätzung der Zahl der Atome in der Muschel:
Annahme über die Größe der Muschel: \[V_{\text{Muschel}} = 3 \cdot 3 \cdot 0,1 \rm{cm^3} \approx 1\rm{cm^3}\] Volumen eines Atoms (Kantenlänge ca. \({10^{ - 8}}{\rm{cm}}\)): \[V_{\text{Atom}} = (10^{-8})^3 \rm{cm^3} = 10^{-24}\rm{cm^3}\] Zahl der Atome in der Muschel: \[N_{\text{Atom, Muschel}} = \frac{V_{\text{Muschel}}}{V_{\text{Atom}}} \Rightarrow N_{\text{Atom, Muschel}} = \frac{1}{10^{-24}} = 10^{24}\]
Abschätzung der Zahl der Sandkörner:
Der Strand sei \(1000{\rm{m}}\) lang und \(100{\rm{m}}\) breit, der Sand habe eine Tiefe von ca. \(10{\rm{m}}\). Dann gilt für das Volumen des Sandes: \[V_{\text{Sand}} = 1000 \cdot 100 \cdot 10\rm{m^3} = 10^6 \rm{m^3}\] Von einem Sandkorn werde angenommen, dass es würfelförmig ist und eine Kantenlänge von ca. \(1{\rm{mm}}\) besitzt. Dann gilt für das Volumen eines Korns: \[V_{\text{Sandkorn}} = (1\cdot 10^{-3})^3m^3 = 10^{-9} \rm{m^3}\] Für die Zahl der Sandkörner gilt dann: \[N_{\text{Sandkorn}} = \frac{V_{\text{Sand}}}{V_{\text{Sandkorn}}} \Rightarrow N_{\text{Sandkorn}} = \frac{10^6}{10^{-9}} = 10^{15}\] Hieraus sieht man, dass die Zahl der Muschelatome um den Faktor \({10^9}\) größer ist als die Zahl der Sandkörner. Wenn auch ein größerer Strand angenommen wird, so bleibt doch die Zahl der Muschelatome höher.
Wir sprechen in der Astronomie beziehungsweise in der Astrophysik von +/- 2, das bezieht sich auf den Exponenten. Die Zahl der Atome im Universum beläuft sich etwa auf eine Zahl im Bereich zwischen 10 hoch 84 und 10 hoch 89.
Galaxien zählen und die Atome in den Sternen hochrechnen
Niemand hat die Atome bisher gezählt und man kann sie auch nicht zählen. Aber man kann die Galaxien zählen und man weiß, wie viele Sterne sich in einer Galaxie befinden. Diese Zahl geht in die Hunderte von Milliarden. Außerdem weiß man, wie viele Atome sich in einem Stern befinden; man kennt etwa die Zahl der Atome in der Sonne. Diese muss man hochrechnen und kommt dann auf diese gigantischen Zahlen. Allerdings mit einer entsetzlichen Fehlerquote.