Atommodelle: Dalton

Atomos ist das griechische Wort für unteilbar. Griechen, wie Leukip oder Demokrit, in der Antike und Physiker, wie Newton, spekulierten schon früh über die kleinsten Teile, aus denen unsere Welt besteht. So klein wie diese Teile sind, ist es schwer für den Menschen sich ein Bild davon zu machen. Da noch nie ein Mensch ein Atom gesehen hat und es auch heute und zukünftig unmöglich sein wird, ein Elektron in seinem unberührten Zustand zu betrachten, macht es Sinn, sich mit Modellen weiterzuhelfen.

Ein Modell gibt wesentliche Aspekte der Realität wieder, aber nicht den genauen Zustand. In der Chemie existieren viele Modelle nebeneinander. Das eine Modell beschreibt einen Sachverhalt sehr gut und ein anderes vielleicht einen anderen. Eines der frühsten Modelle über das Aussehen von Atomen ist das Daltonsche Atommodell. Doch vorher zu einer Erkenntnis der Griechen:

Jede Säule, jeder Stein oder auch jedes andere Ding dieser Welt ist teilbar. Aus ihnen entsteht dabei ein kleineres Ding und aus dem beim Teilen wieder kleinere. Bis zu einem bestimmten Punkt lässt sich dies experimentell durchführen. Irgendwann kommt man jedoch an einen Punkt, wo man Schwierigkeiten bekommt die kleinen Teilchen noch weiter zu teilen. [Bild 1]

In Gedanken kann man sich aber noch vorstellen, wie diese winzig kleinen Teile noch weiter geteilt werden. Doch irgendwann musste es nach der Ansicht der alten Griechen ein Teilchen geben, dass sich nicht mehr teilen lässt, ohne dass es dabei seine grundlegenden Eigenschaften verändert. Dieses Unteilbare bezeichnet man seither als Atom (von atomos = unteilbar).

Diese kleinsten Unteilbaren stellten sich die Griechen als runde Kugeln vor. Warum? Runde Formen sind typisch für die Natur. Viele Eigenschaften von Stoffen lassen sich nur mit runden Teilchen beschreiben. Man würde sich vielleicht wie eine Legofigur in einer Legowelt fühlen. Der Atombegriff und ein erstes Modell waren somit schon im antiken Griechenland eingeführt. Über Jahrhunderte wurde dieses Wissen nicht weiter vertieft. Solcherlei Betrachtungen passten nicht in die religionsbetonte Welt des Mittelalters. Erst zu Zeiten der Aufklärung änderte sich das.

Der englische Naturforscher und Lehrer John Dalton stellte um 1800 eine Atomtheorie auf, die nicht nur auf theoretischen Denkansätzen sondern auf quantitativen Messungen in Experimenten basierte. Er übernahm die Ansicht der Griechen, dass die Welt aus kleinsten, unteilbaren und kugelförmigen Teilchen, den Atomen, bestehe. Im Sinne Daltons ist damit ein Atom ein kugelförmiges, kleinstes Teilchen, das sich zu Verbindungen zusammenfügen kann oder alleine als Element existiert.

Was genau sind Elemente und Verbindungen? Dazu zuerst ein paar Begriffserklärungen:

Materie: Allgemeine Bezeichnung für alles stoffliche, das uns umgibt und aus dem wir bestehen.

Element: Reine Stoffe, die sich chemisch nicht weiter zerlegen lassen, sozusagen chemische Grundstoffe. Ein Element besteht aus einer bestimmten Atomsorte

Atom: Das Atom ist der kleinste, chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Sortiert man Atome nach ihrem Typ, erhält man die verschiedenen Elemente.

Verbindung: Eine Substanz, die aus zwei oder mehr Atomen besteht, die chemisch verbunden sind. (Nicht wie in Gemischen, wo verschiedene Stoffe einfach nebeneinander bestehen.)

Zurück zu Daltons Schlußfolgerungen aus seinen Experimenten mit verschiedenen Elementen. Es ergaben sich daraus verschiedene Erkenntnisse, die er postulierte. Zur Veranschaulichung seiner Aussagen helfen einige Bilder.

Postulate der Daltonschen Atomtheorie

Daltons wesentliche Aussagen sind das Gesetz der konstanten Proportionen, das Gesetz der multiplen Proportionen und das Gesetz der Erhaltung der Masse (welches schon zuvor durch Lavoisier aufgestellt wurde), die auf Grund ihrer Wichtigkeit für die Chemie auch manchmal als chemische Grundgesetze bezeichnet werden. Darüber hinaus sind im Folgenden noch einige weitere Aussagen erwähnt, die sich mit Daltons Atommodell machen lassen. Ergänzende Bemerkungen zu den Postulaten sind mit * gekennzeichnet und am Ende des Artikels angefügt.

1. Alle Materie ist aus kleinsten, harten, unteilbaren Teilchen, den Atomen, aufgebaut. [Bild 2]

2. Alle Atome eines gegebenen Elements sind gleich; sie haben identische Größe und Masse.* [Bild 3]

3. Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Größe, Masse und ihren Eigenschaften. [Bild 4]

4. Atome sind chemisch unzerstörbar. Sie werden in chemischen Reaktionen nicht vernichtet oder erzeugt.

5. Bei chemischen Reaktionen werden Atome neu angeordnet. Sie verbinden sich zu Verbindungen, bilden andere Verbindungen oder lösen sich aus ihren Verbindungen.** [Bild 5]

6. Während einer chemischen Reaktion lässt sich keine Veränderung der Masse der Reaktionsstoffe beobachten. Die Masse aller Edukte ist gleich der Masse aller Produkte. (Gesetz der Erhaltung der Masse)***

7. In einer Verbindung sind stets die gleichen Elemente im gleichen Massenverhältnis vorhanden. (Gesetz der konstanten Proportionen)**** [Bild 6]

8. Entstehende Verbindungen bilden sich aus ganzzahligen Atomverhältnissen. Verändert sich das Atomverhältnis steigt oder sinkt die Gesamtmasse entsprechend der Atommassen der Eingangsstoffe. (Gesetz der multiplen Proportionen)***** [Bild 7]

Grenzen des Modells

Daltons Atommodell ist heute zwar überholt, seine besondere Leistung war es allerdings, die sehr unüberschaubare Anzahl an Verbindungen in der Welt auf wenige Grundelemente (die Elemente) zurückzuführen und die Begriffe Element, Verbindung und Atom einzuordnen und abzugrenzen.

Die von ihm errechneten Atom- und Molekülmassen verschiedener Verbindungen waren natürlich stark fehlerdurchzogen, weil er immer von möglichst einfachen Verhältnissen ausging. So nahm er für Wasser an, dass es aus einem Teil Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff bestand: H + O → HO. Komplexere Verbindungen, wie etwa die Essigsäure führten auf Grund ihrer größeren Mengenverhältnisse an Atomen in der Verbindung zu vielen verschiedenen Formeln, bei den Denkern der damaligen Zeit.

Dalton wird sich schon zu seiner Zeit über die Grenzen seines Modells Gedanken gemacht haben. Nach Daltons Experimenten verbinden sich immer nur bestimmte Elemente in bestimmten Verhältnissen miteinander. Es muss also eine Grundlage geben, auf der Verbindungen geildet werden. Diese Grundlage ist aus der Annahme, dass Atome feste, runde Teilchen sind nicht auszumachen. Weitergehende Modelle, sind dazu nötig. In der Schule wird das Daltonmodell somit auch nur zur Einleitung in die Atomtheorien verwendet.

Eine bedeutende Grenze des Daltonschen Atommodells ist, dass Salz, gelöst in Wasser elektrischen Strom leitet. Einfache, unteilbare und daher ungeladene Kugeln können dieses Phänomen nicht beschreiben. Auch wenn die Atombetrachtung nach Dalton überholt ist, ist ihm mit den chemischen Grundgesetzen ein Meilenstein der Forschung gelungen.

Bemerkungen

*Dieses Theorem wurde später angepasst, nachdem man erforscht hatte, dass Atome eines Elements unterschiedliche Neutronenanzahlen haben können (Isotope) und somit die Masse mehrerer Atome genau genommen in einem Element geringfügig variieren kann. Ihre Eigenschaften sind trotz der geringfügig veränderten Masse jedoch (fast) identisch und die Unterschiede für die Chemie nicht relevant.

**Bei der Reaktion von z.B. Eisen mit Schwefel zu Eisensulfid geht also kein Atom verloren. Sie finden sich beide in der neu entstandenen Verbindung wieder. Sie reagieren in einem Atomverhältnis von 1:1. (1Fe + 1S → 1FeS)

***Ein Stück Papier erscheint nach der Verbrennung (chemische Reaktion) doch leichter? Aber nur, weil bei der Verbrennung Gase entstehen, die in die Umgebung entweichen. Diese entweichenden Atome lassen sich teilweise im Rauch des brennenden Papiers erkennen. Würde man die Verbrennung in einem geschlossenen System (z.B. Reagenzglas mit Stopfen) durchführen würde man keine Gewichtsänderung vor und nach dem Verbrennen feststellen . Alle Atome, die am Anfang einer chemischen Reaktion eingesetzt werden, finden sich am Ende der Reaktion auch wieder.

**** Die Elemente Eisen und Schwefel aus obigem Beispiel reagieren im Verhältnis 1:1 zu Eisensulfid. Schwefel- und Eisenatome sind allerdings nicht gleich schwer, weshalb nicht 1g Schwefel und 1g Eisen 2g Eisensulfid ergeben. Was herauskommt wiegt scheinbar 2g, es haben aber im Haufen nicht alle Atome vollkommen miteinander zu Eisensulfid reagiert.

Atome reagieren nicht nur in einem festen Atomverhältnis, sondern auch in einem festen Massenverhältnis. Dieses leitet sich aus dem Relativgewicht der Atome ab, das man im Periodensystem finden kann. Eine einfache Stoffportion (1mol) Schwefel wiegt demnach 32.065g eine Stoffportion (1mol) Eisen 55.845g. Da Schwefelatome und Eisenatome 1:1 reagieren, bilden sie aus 3.2g Schwefel und 5.5g Eisen 8.7g Eisensulfid.

Eisen reagiert mit Schwefel im Atomzahlverhältnis 1:1 und im Massenverhältnis 5:3. [Bild 8]

***** komplizierter Text/einfaches Beispiel: Dieses Postulat sagt aus, dass hier z.B. Stickstoffoxid in verschiedenen Formen vorkommen kann. Proportional mit der Menge an Sauerstoff steigt auch das Gewicht der Verbindung.

NO (Stickstoffmonoxid) = 1 N + 1 O = 14g N + 16g O = 30g NO

NO2 (Stickstoffdioxid) = 1 N + 2 O = 14g N + 32g O = 46g NO2

N2O3 (Stickstofftrioxid) = 2 N + 3 O = 28g N + 48g O = 76g N2O3

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