Biologie für Hauptfachstudenten I

Um zu verstehen, wie sich Elemente zusammensetzen, müssen wir zunächst den kleinsten Bestandteil oder Baustein eines Elements, das Atom, erörtern. Ein Atom ist die kleinste Einheit der Materie, die alle chemischen Eigenschaften eines Elements besitzt. Ein Goldatom hat zum Beispiel alle Eigenschaften von Gold, da es bei Raumtemperatur ein festes Metall ist. Eine Goldmünze besteht einfach aus einer sehr großen Anzahl von Goldatomen, die in die Form einer Münze gebracht wurden und kleine Mengen anderer Elemente enthalten, die als Verunreinigungen bekannt sind. Goldatome können nicht in etwas Kleineres zerlegt werden, ohne dass die Eigenschaften von Gold verloren gehen.

Ein Atom besteht aus zwei Bereichen: dem Kern, der sich im Zentrum des Atoms befindet und Protonen und Neutronen enthält, und dem äußersten Bereich des Atoms, in dem sich die Elektronen auf einer Umlaufbahn um den Kern befinden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Atome enthalten neben anderen subatomaren Teilchen Protonen, Elektronen und Neutronen. Die einzige Ausnahme ist Wasserstoff (H), der aus einem Proton und einem Elektron ohne Neutronen besteht.

Abbildung 1. Elemente, wie das hier abgebildete Helium, bestehen aus Atomen. Atome bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich im Kern befinden, und Elektronen in Orbitalen, die den Kern umgeben.

Protonen und Neutronen haben ungefähr die gleiche Masse, etwa 1,67 × 10-24 Gramm. Die Wissenschaftler definieren diese Masse willkürlich als eine atomare Masseneinheit (amu) oder ein Dalton, wie in Tabelle 1 dargestellt. Obwohl sich Protonen und Neutronen in ihrer Masse ähneln, unterscheiden sie sich in ihrer elektrischen Ladung. Ein Proton ist positiv geladen, während ein Neutron ungeladen ist. Daher trägt die Anzahl der Neutronen in einem Atom wesentlich zu seiner Masse, nicht aber zu seiner Ladung bei. Elektronen haben eine viel geringere Masse als Protonen und wiegen nur 9,11 × 10-28 Gramm, also etwa 1/1800 einer atomaren Masseneinheit. Daher tragen sie nicht viel zur gesamten Atommasse eines Elements bei. Daher ist es üblich, bei der Betrachtung der Atommasse die Masse der Elektronen zu ignorieren und die Masse des Atoms allein auf der Grundlage der Anzahl der Protonen und Neutronen zu berechnen. Die Elektronen tragen zwar nicht wesentlich zur Masse bei, tragen aber erheblich zur Ladung des Atoms bei, da jedes Elektron eine negative Ladung hat, die der positiven Ladung eines Protons entspricht. In ungeladenen, neutralen Atomen ist die Anzahl der Elektronen, die den Kern umkreisen, gleich der Anzahl der Protonen im Inneren des Kerns. In diesen Atomen heben sich die positiven und negativen Ladungen gegenseitig auf, was zu einem Atom ohne Nettoladung führt.

Unter Berücksichtigung der Größen von Protonen, Neutronen und Elektronen ist der größte Teil des Volumens eines Atoms – mehr als 99 Prozent – tatsächlich leerer Raum. Angesichts dieses leeren Raums könnte man sich fragen, warum so genannte feste Objekte nicht einfach durcheinander hindurchgehen. Der Grund dafür ist, dass die Elektronen, die alle Atome umgeben, negativ geladen sind und sich negative Ladungen gegenseitig abstoßen.

Atomzahl und Masse

Atome eines jeden Elements enthalten eine charakteristische Anzahl von Protonen und Elektronen. Die Anzahl der Protonen bestimmt die Ordnungszahl eines Elements und dient dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Die Anzahl der Neutronen ist variabel und führt zu Isotopen, d. h. verschiedenen Formen desselben Atoms, die sich nur durch die Anzahl der Neutronen unterscheiden. Die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Neutronen bestimmen zusammen die Massenzahl eines Elements, wie in Abbildung 2 dargestellt. Beachten Sie, dass der geringe Beitrag der Elektronen zur Masse bei der Berechnung der Massenzahl unberücksichtigt bleibt. Mit diesem Näherungswert für die Masse lässt sich leicht berechnen, wie viele Neutronen ein Element hat, indem man einfach die Anzahl der Protonen von der Massenzahl abzieht. Da die Isotope eines Elements leicht unterschiedliche Massenzahlen haben, bestimmen die Wissenschaftler auch die Atommasse, die der berechnete Mittelwert der Massenzahl für die natürlich vorkommenden Isotope ist. Oft enthält die resultierende Zahl einen Bruchteil. Zum Beispiel ist die Atommasse von Chlor (Cl) 35,45, weil Chlor aus mehreren Isotopen besteht, von denen einige (die Mehrheit) die Atommasse 35 (17 Protonen und 18 Neutronen) und einige die Atommasse 37 (17 Protonen und 20 Neutronen) haben.

Praxisfrage

Kohlenstoff hat eine Ordnungszahl von sechs und zwei stabile Isotope mit den Massenzahlen zwölf bzw. dreizehn. Seine Atommasse ist 12,11.

Abbildung 2. Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13

Wie viele Neutronen haben Kohlenstoff-12 bzw. Kohlenstoff-13?

Antwort anzeigen

Kohlenstoff-12 hat sechs Neutronen. Kohlenstoff-13 hat sieben Neutronen.