Struktur und Aufbau

Die kleinsten Bausteine, eine Frage des Modells

Unsere Vorstellung vom Atomaufbau hat sich historisch entwickelt. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts formulierte John Dalton sein Atommodell. Nach diesem war jeder Stoff und jedes Lebewesen aus den kugelförmigen Atomen aufgebaut. Hundert Jahre später fand Ernest Rutherford heraus, dass auch Atome aus noch kleineren Teilchen bestehen. Diese Teilchen bilden zum einen einen sehr massereichen und positiv geladenen Kern. Die dortigen Teilchen nannte er Protonen. Zum anderen bilden die Teilchen eine viel größere, negativ geladene und massearme Hülle. Die dortigen Teilchen nannte er Elektronen. Zudem vermutete er, dass es im Kern neben den Protonen noch weitere ungeladene Teilchen geben musste, die Neutronen. Nur zwei Jahre später wurde das Atommodell erneut verändert. Niels Bohr fand heraus, dass die fast masselosen Elektronen auf ganz bestimmten Bahnen, den sogenannten Schalen, um den Atomkern kreisen. Diese Schalen stellen jede für sich definierte Energieniveaus und definierte Abstände zum Atomkern dar.

In den nachfolgenden Jahrzehnten wurde das Atommodell immer wieder durch Forschungsergebnisse verbessert und der Realität näher gebracht. Man erkannte, dass Elektronen sich nicht auf Schalen, sondern je nach Energie in ganz bestimmten Bereichen, den Orbitalen, bewegen. Weiterhin wurden Elektronen durch Definition ihrer Drehung und ihre Orbitale durch Untersuchung ihrer Form und Größe näher beschrieben.

Bindungen

Aufgrund der intensiven Erforschung der Atomgestalt und vor allem ihrer Elektronen konnten ebenfalls die Bindungsverhältnisse in verschiedensten Stoffe erklärt werden. Mit der Elektronegativität fand man ein Maß, um jedem Element eine gewisse Anziehung für Elektronen zuzuweisen. Allein diese Eigenschaft macht es möglich, die Stärke von Atombindungen zu beschreiben. Man unterschied von nun an in unpolare (kovalente) und polare Atombindungen, in ionische und metallische Bindungen, in Wasserstoffbrückenbindungen usw.

Quantenchemie

Die Erforschung und Charakterisierung der Elektronen nahm eine Schlüsselrolle der physikalisch-chemischen Forschung ein. So gelangte man zu einer Quantenchemischen Betrachtungsweise. Die Quantenzahlen lieferten eine eindeutige Zuordnung eines jeden Elektrons in einem Atom. Es wurden energetische Berechnungen möglich, um optische Eigenschaften von Farbstoffen vorherzusagen, um Laser zu konstruieren, um elektrische Bauteile für Computer zu entwerfen und vieles mehr. Mit den Gesetzen von Friedrich Hund und Wolfgang Pauli konnte nun die elektronische Struktur eines jeden Elements, auch noch unbekannter Elemente definiert werden. Schließlich konnten durch die Regeln der Hybridisierung, Stabilitäten und Strukturen von Verbindungen und Stoffen erklärt, beschrieben und vorausgesagt werden.