Materie – atomarer Aufbau

Hallo, ich heiße Philip und erzähle euch heute etwas über den atomaren Aufbau der Materie, denn alle Dinge um uns herum bestehen aus Atomen. Das sind kleine Teilchen, die so winzig sind, dass man sie unmöglich mit dem bloßen Auge erkennen kann. Erst wenn eine wahnsinnig große Anzahl von Atomen zusammenkommt, kann man sie fühlen und sehen. Doch woher wissen wir von diesen Atomen? Was für Eigenschaften haben diese so kleinen Teilchen und wie entstehen so viele Stoffe aus ihnen und vor allem, wie klein sind sie eigentlich? Die Idee, dass unsere Welt aus kleinen Bauteilen besteht, gibt es schon lange. Es existieren alte Aufzeichnungen vom griechischen Philosophen Demokrit, der schon 450 Jahre vor Christus diese Meinung vertrat. Er war es auch, der dem Atom seinen Namen gab. Er nannte es Atomos, was so viel wie das Unteilbare bedeutet, weil es das kleinste Objekt sein sollte, das es gibt. Über 2000 Jahre lang bliebt dies jedoch nur eine unbeliebte Theorie und für die meisten Menschen bestand die Erde nach wie vor aus Feuer, Erde, Wind und Wasser. Inzwischen wurde die Atomhypothese aber natürlich bewiesen. Man erkannte, dass alles, egal welcher Stoff, aus ihnen besteht. Hierbei muss man jedoch zwei Teilchenarten unterscheiden. Zuerst gibt es die Atome, es sind die Grundbausteine der Materie und jede Atomsorte wird als Element bezeichnet. Chemisch ist es unmöglich Atome zu teilen oder Elemente ineinander umzuwandeln. Für die Alchemisten des Mittelalters war es somit unmöglich Blei in Gold zu verwandeln, da es sich hierbei um zwei elementare Stoffe handelt. Bis heute sind ca. 100 solcher Elemente bekannt, diese sind im PSE, dem Periodensystem der Elemente, aufgelistet. Mithilfe dieser Darstellung kann man schnell und einfach viele Informationen über die einzelnen Atomsorten erhalten. Jedes Rechteck steht für ein Element. Das Symbol in der Mitte ist der abgekürzte Elementname. H steht beispielsweise für Wasserstoff, O für Sauerstoff und Fe für Eisen. Die ganze Zahl darüber sagt etwas über die Größe und Struktur des Atoms aus und die untere Zahl gibt die molare Masse an, aber dazu erfahrt ihr später mehr. Der Grund, wieso wir mehr als diese 100 elementaren Stoffe kennen, ist simpel. Atome sind in der Lage sich miteinander zu verbinden und Moleküle genannt werden, so entstehen Teilchen, die aus mehreren Atomen zusammengesetzt sind. Kombiniert man beispielsweise zwei Wasserstoff Atomen mit einem Sauerstoff Atom, so entsteht ein Wassermolekül. Ihr könnt euch vorstellen, dass die Kombinationsmöglichkeiten schier unendlich sind, vor allem da es Moleküle gibt, die aus mehr als 1000 Atomen bestehen. Diese Zahl an vielfältigen Atomen und Molekülen, mit den unterschiedlichsten Eigenschaften, macht die Menge der uns bekannten Materialien und Stoffe aus. Doch es gibt noch einen weiteren Punkt, der großen Einfluss hat, besonders auf die physikalischen Merkmale. Stellen wir uns ein Material aus Teilchen vor, egal ob Atome oder Moleküle, dann gibt, es zwischen diesen Teilchen wirkende Kräfte, zum Beispiel eine schwache Gravitation oder auch elektromagnetische Kräfte. Hierdurch werden die Teilchen, wie durch Gummibänder zusammengehalten. Die Stärke dieser Bindungskräfte hängt durch die Art und den Aufbau der Teilchen selbst ab. Sind die Bindungen sehr stark, so haben die Teilchen kaum Freiraum und werden wie an einem starren Gitter fest zusammengehalten. Ist dies der Fall, so handelt es sich bei dem Stoff um einen Festkörper. Hierzu kann man sich eine Menschenmenge vorstellen, bei der sich alle gegenseitig an den Händen halten, sodass sich niemand mehr wirklich bewegen kann. Sind die Bindungskräfte schwächer, so steht den Teilchen mehr Spielraum zur Verfügung und sie sind in der Lage sich etwas freier zu bewegen, jedoch schaffen sie es nicht, sich zu weit von den anderen Teilchen zu entfernen. Analog wäre eine Menschenmenge, die sich zwar nicht festhält, jedoch von einem Zaun umgeben ist. Innerhalb können sie sich quasi frei bewegen, doch über den Zaun schafft es niemand. Hierbei würde es sich um einen flüssigen Stoff handeln. Nehmen wir die Bindungskräfte als noch schwächer an, so ist dies, als ob wir den Zaun einreißen. Die Menschen haben nun die Möglichkeit sich ungehindert in alle Richtungen zu bewegen. Die entspricht einem gasförmigen Stoff. Diese strukturellen Zustände, fest, flüssig und gasförmig, werden auch Phasen eines Materials genannt und sie werden durch die Bindungsstärke beeinflusst. Es gibt jedoch einen Trick, wie man zwischen den Phasen eines Stoffes wechseln kann. Um 1800 entdeckte ein Wissenschaftler namens Brown, dass sich die Teilchen von Flüssigkeiten und Gasen ständig bewegen, so finden andauernd Stöße und Kollisionen zwischen diesen Teilchen statt und es entsteht ein chaotisches und ungerichtet bewegtes Gesamtbild. Auch die Teilchen von Festkörpern bewegen sich, doch hier handelt es sich eher um Schwingungen, da sich die Teilchen nicht frei bewegen können. Diese Bewegung von Gas- und Flüssigkeitsteilchen wird nach ihrem Entdecker brownsche Molekularbewegung genannt, abhängig ist sie von der Temperatur,  denn erwärmen wir ein Material, so führen wir ihm Energie zu, dadurch bewegen sich die Partikel stärker und irgendwann schwingen beispielsweise die Teilchen eines Festkörpers so stark, dass sie die Bindungskräfte teilweise überwinden und sich etwas freier bewegen können, so kann man durch Erwärmen Eis ganz leicht zu Wasser werden lassen. Führt man noch mehr Energie zu, bis die Teilchen die Bindungskräfte ganz überwinden können, so verdampft das Wasser und wird zu einem Gas. Die Phase eines Materials hängt also sowohl von den Bindungskräften als auch von der Temperatur ab. Deswegen ist Wasser bei Raumtemperatur flüssig und Eisen beispielsweise fest. Wir wollen nun unsere Vorstellung von Atomen etwas konkretisieren. Wie groß sind zum Beispiel Atome und Moleküle in etwa? Diese Frage kann man mit einem kleinen Experiment selber zuhause beantworten, dem Ölfleck-Versuch. Alles, was man hierzu braucht, ist eine Schüssel mit Wasser und eine Messpipette. Nun gibt man in die Mitte der Schüssel einen Tropfen Öl, dessen Volumen man vorher mit der Messpipette bestimmt hat, denn mithilfe dieser Pipette, kann man das Volumen von einzelnen Tropfen messen. Da der Öltropfen leichter als Wasser ist, schwimmt er oben und bildet einen Fleck auf dem Wasser. Der Fleck sollte möglichst rund werden, also muss das Öl vorsichtig hineingegossen werden. Die Teilchen in dem Ölfleck bilden eine monomolekulare Schicht. Das bedeutet, dass alle Moleküle nebeneinanderliegen und sich nicht nach oben stapeln. Die Höhe dieses Fleckes entspricht somit genau dem Durchmesser eines Ölmoleküls. Die ist natürlich viel zu klein zum Ausmessen, also muss sie berechnet werden. Das der Fleck quasi rund ist, können wir ihn als Zylinder betrachten, dessen Volumen wir ja schon vorher ausgemessen haben. Die Formel für das Volumen eines Zylinders lautet V=π×r²×h, oder umgestellt nach der Höhe h=V/(π×r²). Messen wir also den Radius r des Ölflecks, so lässt sich daraus seine Höhe abschätzen und die soll ja genau der Molekülgröße entsprechen. Diese Molekülgrößen liegen meist in der Größenordnung von ca. 10^-10 m, also einem 10 Milliardstel Millimeter, nun ist klar, wieso noch nie jemand ein Atom mit bloßem Auge gesehen hat oder wieso es eine so große Leistung war, sie zu entdecken. Man kann sich auch denken, dass erst riesige Anzahlen von Atomen in unserer Welt für uns wichtig und bemerkbar werden. Man hat sich darum angewöhnt nicht in einzelnen Atomen zu denken und zu rechnen, sondern in mol. Ein mol ist quasi ein Bündel von Teilchen und entspricht ca. 6×10²³ Atomen oder Molekülen. Dementsprechend wurde auch die sogenannte molare Masse eingeführt, sie gibt an, wie viel ein mol eines Stoffes in Gramm wiegt und ablesen, kann man sie im PSE, meist unter dem Elementnamen. Eisen hat beispielsweise eine molare Masse von 55,85g pro mol. 6×10²³ Eisenatome wiegen also 55,85g, hieraus lässt sich zum Beispiel die Anzahl n der Eisenteilchen in einem kg Eisen berechnen. Hierzu teilt man die Masse m durch die molare Masse, die meiste mit einem großen M bezeichnet wird. In unserem Beispiel wäre es also 1000g/(55,85g/mol) und ergibt ca. 17,8mol, also 10²⁷ Teilchen. Das sind 1000000000000000000000000000 Teilchen, in nur einem kg Eisen. Ich hoffe, ich konnte euch die Welt der Atome etwas näher bringen. Vielen Dank für euer Interesse und bis zum nächsten Mal. Euer Philip Physik.