Berechnung des Leerraums in einem Atom (unter Berücksichtigung des einfachsten Wasserstoffatoms)

Alles über ein Atom,

Atome sind die Grundeinheiten der Materie und die definierende Struktur von Elementen. Atome bestehen aus drei Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen.

Protonen und Neutronen sind schwerer als Elektronen und befinden sich im Zentrum des Atoms, das als Kern bezeichnet wird. Elektronen sind extrem leicht und existieren in einer Wolke, die den Kern umkreist. Die Elektronenwolke hat einen 10.000-fach größeren Radius als der Kern.

Protonen und Neutronen haben ungefähr die gleiche Masse. Ein Proton wiegt jedoch mehr als 1.800 Elektronen. Atome haben immer die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, und die Anzahl von Protonen und Neutronen ist normalerweise auch dieselbe. Das Hinzufügen eines Protons zu einem Atom ergibt ein neues Element, während das Hinzufügen eines Neutrons ein Isotop oder eine schwerere Version dieses Atoms ergibt.

Kern

Der Kern wurde 1911 entdeckt, aber seine Teile wurden erst 1932 identifiziert. Praktisch die gesamte Masse des Atoms befindet sich im Kern. Der Kern wird durch die "starke Kraft" zusammengehalten, eine der vier Grundkräfte in der Natur. Diese Kraft zwischen Protonen und Neutronen überwindet die abstoßende elektrische Kraft, die nach den Regeln der Elektrizität die Protonen sonst auseinander drücken würde.

Protonen

Protonen sind positiv geladene Teilchen in Atomkernen. Sie wurden von Ernest Rutherford in Experimenten zwischen 1911 und 1919 entdeckt.

Die Anzahl der Protonen in einem Atom definiert, um welches Element es sich handelt. Beispielsweise haben Kohlenstoffatome sechs Protonen, Wasserstoffatome haben eins und Sauerstoffatome haben acht. Die Anzahl der Protonen in einem Atom wird als Ordnungszahl dieses Elements bezeichnet. Die Anzahl der Protonen in einem Atom bestimmt auch das chemische Verhalten des Elements. Das Periodensystem der Elemente ordnet die Elemente in aufsteigender Ordnungszahl an.

Protonen bestehen aus anderen Teilchen, die Quarks genannt werden. Es gibt drei Quarks in jedem Proton – zwei "Auf" -Quarks und ein "Ab" -Quark – und sie werden von anderen Teilchen zusammengehalten, die als Gluonen bezeichnet werden.

Elektronen

Elektronen sind negativ geladen und werden von den positiv geladenen Protonen elektrisch angezogen. Elektronen umgeben den Atomkern in Bahnen, die Orbitale genannt werden. Die inneren Orbitale, die das Atom umgeben, sind kugelförmig, aber die äußeren Orbitale sind viel komplizierter.

Die Elektronenkonfiguration eines Atoms ist die Umlaufbahnbeschreibung der Positionen der Elektronen in einem nicht angeregten Atom. Mithilfe der Elektronenkonfiguration und der Prinzipien der Physik können Chemiker die Eigenschaften eines Atoms wie Stabilität, Siedepunkt und Leitfähigkeit vorhersagen.

Typischerweise spielen in der Chemie nur die äußersten Elektronenschalen eine Rolle. Die Notation der inneren Elektronenhülle wird häufig abgeschnitten, indem die lange Beschreibung der Umlaufbahn durch das Symbol für ein Edelgas in Klammern ersetzt wird. Diese Notationsmethode vereinfacht die Beschreibung für große Moleküle erheblich.

Zum Beispiel ist die Elektronenkonfiguration für Beryllium (Be) 1s22s2, aber es ist geschrieben [He]2s2. [He] ist äquivalent zu allen Elektronenorbitalen in einem Heliumatom. Die Buchstaben, s, p, d und f bezeichnen die Form der Orbitale, und die hochgestellte Zahl gibt die Anzahl der Elektronen in diesem Orbital an.

Neutronen

Neutronen sind ungeladene Teilchen in Atomkernen. Die Masse eines Neutrons ist etwas größer als die eines Protons. Wie Protonen bestehen auch Neutronen aus Quarks – einem "up" -Quark und zwei "down" -Quarks. Neutronen wurden 1932 von James Chadwick entdeckt.

Fast alles. Schauen wir uns ein Atom Wasserstoff an, um zu sehen, wie leer es wirklich ist.

Ein Wasserstoffatom besteht aus einem einzelnen Proton, das von einem einzelnen Elektron umkreist wird. Wie groß ist ein Wasserstoffatom? Der Radius eines Wasserstoffatoms ist als Bohr-Radius bekannt, der 529 × 10–10 Metern entspricht. Das heißt, ein Wasserstoffatom hat ein Volumen von ca. 6,2 × 10-31 Kubikmeter.

Wie groß ist das Proton im Zentrum eines Wasserstoffatoms? Jüngste Studien zeigen, dass Protonen einen Radius von etwa 84 × 10–15 Metern haben, was einem Volumen von etwa 2,5 × 10–45 Kubikmetern entspricht.

Wir müssen etwas mehr rechnen, um herauszufinden, wie viel von einem Wasserstoffatom im leeren Raum ist:

Prozent voll = 100 × (Volumen gefüllt / Gesamtvolumen)

Prozent voll = 100 × (2,5 × 10 ** – 45 m3 / 6,2 × 10 ** – 31 m3)

Prozent voll = 100 × (4 × 10 ** – 15)

Prozent voll = 4 × 10 ** – 13%

Prozent voll = 0,0000000000004%

Wenn 0,0000000000004% eines Wasserstoffatoms voll sind, muss der Rest leer sein:

Prozent leer = 100% – Prozent voll

Prozent leer = 100% – 0,0000000000004%

Prozent leer = 99.9999999999996%

Ein Wasserstoffatom ist zu 99,9999999999996% leer. Anders ausgedrückt, wenn ein Wasserstoffatom die Größe der Erde hätte, wäre das Proton in seinem Zentrum etwa 200 Meter breit. Während ich nicht möchte, dass etwas so großes auf meinem Kopf landet, ist es winzig im Vergleich zur Größe der Erde.

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