Ordnungszahl - Atomic number

Eine Erklärung der hochgestellten und tiefgestellten Zeichen in der Ordnungszahl-Notation. Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen und damit auch die gesamte positive Ladung im Atomkern.
Das Rutherford-Bohr-Modell des Wasserstoffatoms ( Z = 1 ) oder eines wasserstoffähnlichen Ions ( Z > 1 ). In diesem Modell ist es ein wesentliches Merkmal, dass die Photonenenergie (oder Frequenz) der emittierten (dargestellten) elektromagnetischen Strahlung, wenn ein Elektron von einem Orbital in ein anderes springt, proportional zum mathematischen Quadrat der Atomladung ( Z 2 ) ist. Experimentelle Messungen dieser Strahlung durch Henry Moseley für viele Elemente (von Z = 13 bis 92 ) zeigten die von Bohr vorhergesagten Ergebnisse. Sowohl das Konzept der Ordnungszahl als auch das Bohrsche Modell erhielten dadurch wissenschaftliche Glaubwürdigkeit.

Die Ordnungszahl oder Protonenzahl (Symbol Z ) eines chemischen Elements ist die Anzahl der Protonen, die sich im Kern jedes Atoms dieses Elements befinden. Die Ordnungszahl identifiziert ein chemisches Element eindeutig . Sie ist identisch mit der Ladungszahl des Kerns. In einem ungeladenen Atom ist die Ordnungszahl auch gleich der Anzahl der Elektronen .

Die Summe der Ordnungszahl Z und der Neutronenzahl N ergibt die Massenzahl A eines Atoms. Da Protonen und Neutronen ungefähr die gleiche Masse haben (und die Masse der Elektronen für viele Zwecke vernachlässigbar ist) und der Massendefekt der Nukleonenbindung im Vergleich zur Nukleonenmasse immer klein ist, ist die Atommasse jedes Atoms, ausgedrückt in einheitlichen Atomen, Masseneinheiten (was eine als „ relative Isotopenmasse “ bezeichnete Größe ergibt), liegt innerhalb von 1% der ganzen Zahl A .

Atome mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlichen Neutronenzahlen und damit unterschiedlichen Massenzahlen werden als Isotope bezeichnet . Etwas mehr als drei Viertel der natürlich vorkommenden Elemente liegen als Isotopengemisch vor (siehe monoisotope Elemente ), und die durchschnittliche Isotopenmasse eines Isotopengemisches für ein Element (die so genannte relative Atommasse) in einer definierten Umgebung auf der Erde, bestimmt die Standard - Element - Atomgewicht . Historisch gesehen waren es diese Atomgewichte der Elemente (im Vergleich zu Wasserstoff), die im 19. Jahrhundert von Chemikern messbar waren.

Das konventionelle Symbol Z stammt von dem deutschen Wort Z ahl 'Zahl', das vor der modernen Synthese von Ideen aus Chemie und Physik lediglich den numerischen Platz eines Elements im Periodensystem bezeichnete , dessen Reihenfolge ungefähr, aber nicht vollständig, mit übereinstimmt die Ordnung der Elemente nach Atomgewichten. Erst nach 1915, mit der Vermutung und dem Beweis, dass diese Z- Zahl auch die Kernladung und ein physikalisches Merkmal von Atomen sei, kam in diesem Zusammenhang das Wort Atom z ahl (und seine engl. äquivalente Ordnungszahl ) in Gebrauch.

Geschichte

Das Periodensystem und eine natürliche Zahl für jedes Element

Der russische Chemiker Dmitri Mendeleev , Erfinder des Periodensystems.

Vereinfacht gesagt erzeugt die Existenz oder Konstruktion eines Periodensystems von Elementen eine Ordnung der Elemente, und so können sie der Reihe nach nummeriert werden.

Dmitri Mendeleev behauptete, dass er sein erstes Periodensystem (erstmals am 6. März 1869 veröffentlicht) nach dem Atomgewicht ("Atomgewicht") geordnet habe. Unter Berücksichtigung der beobachteten chemischen Eigenschaften der Elemente änderte er die Reihenfolge jedoch geringfügig und stellte Tellur (Atomgewicht 127,6) vor Jod (Atomgewicht 126,9). Diese Anordnung stimmt mit der modernen Praxis überein, die Elemente nach der Protonenzahl Z zu ordnen , aber diese Zahl war zu dieser Zeit nicht bekannt oder vermutet worden.

Niels Bohr , Schöpfer des Bohr-Modells .

Eine einfache Nummerierung basierend auf der Position des Periodensystems war jedoch nie ganz zufriedenstellend. Neben dem Fall von Jod und Tellur war später von mehreren anderen Elementpaaren (wie Argon und Kalium , Kobalt und Nickel ) bekannt, dass sie nahezu identische oder umgekehrte Atomgewichte haben, so dass ihre Einordnung in das Periodensystem durch ihre Chemikalien bestimmt werden musste Eigenschaften. Die allmähliche Identifizierung immer mehr chemisch ähnlicher Lanthanoid- Elemente, deren Ordnungszahl nicht offensichtlich war, führte jedoch zumindest ab Lutetium (Element 71) zu Inkonsistenz und Unsicherheit in der periodischen Numerierung der Elemente ( Hafnium war zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt).

Das Rutherford-Bohr-Modell und van den Broek

1911, Ernest Rutherford ergab ein Modell des Atoms in dem ein zentraler Kern meisten des Atoms der Masse und eine positive Ladung , die, war in Einheiten des Elektrons Ladung gehalten wird , bis etwa auf die Hälfte des Atomgewicht Atom gleich sein, ausgedrückt in Anzahl der Wasserstoffatome. Diese zentrale Ladung würde also ungefähr die Hälfte des Atomgewichts betragen (obwohl sie sich um fast 25 % von der Ordnungszahl von Gold ( Z = 79 , A = 197 ), dem einzelnen Element, von dem Rutherford seine Vermutung machte, unterscheidet. Trotz Rutherfords Schätzung, dass Gold eine zentrale Ladung von etwa 100 hatte ( im Periodensystem jedoch Element Z = 79 war ), schlug Antonius van den Broek einen Monat nach Erscheinen von Rutherfords Veröffentlichung zunächst formell vor, dass die zentrale Ladung und die Anzahl der Elektronen in einem Atom war genau gleich seinem Platz im Periodensystem (auch bekannt als Elementzahl, Ordnungszahl und symbolisiert Z ). Dies erwies sich schließlich als der Fall.

Moseleys Experiment von 1913

Henry Moseley in seinem Labor.

Die experimentelle Position verbesserte sich dramatisch nach Forschungen von Henry Moseley im Jahr 1913. Moseley beschloss nach Gesprächen mit Bohr, der im selben Labor war (und Van den Broeks Hypothese in seinem Bohrschen Atommodell verwendet hatte), Van den Broeks und Bohrs Hypothese direkt, indem man sah, ob Spektrallinien, die von angeregten Atomen emittiert wurden, mit der Bohrschen Theorie übereinstimmten, dass die Frequenz der Spektrallinien proportional zum Quadrat von Z ist .

Dazu hat Moseley die Wellenlängen der innersten Photonenübergänge (K- und L-Linien) gemessen, die von den Elementen von Aluminium ( Z  = 13) zu Gold ( Z  = 79) erzeugt werden, die als eine Reihe beweglicher anodischer Targets in einem Röntgenstrahl verwendet werden Rohr . Die Quadratwurzel der Frequenz dieser Photonen (Röntgenstrahlen) nahm in einer arithmetischen Folge von einem Ziel zum nächsten zu. Dies führte zu dem Schluss ( Moseleysches Gesetz ), dass die Ordnungszahl (mit einem Versatz von einer Einheit für K-Linien, in Moseleys Arbeit) der berechneten elektrischen Ladung des Kerns, dh der Elementzahl Z, sehr gut entspricht . Unter anderem zeigte Moseley, dass die Lanthanoid- Reihe (von Lanthan bis einschließlich Lutetium ) 15 Mitglieder haben muss – nicht weniger und nicht mehr – was aus der damaligen bekannten Chemie alles andere als offensichtlich war.

Fehlende Elemente

Nach Moseleys Tod 1915  wurden mit seiner Methode die Ordnungszahlen aller bekannten Elemente von Wasserstoff bis Uran ( Z = 92) untersucht. Es gab sieben Elemente (mit Z  < 92), die nicht gefunden und daher als noch unentdeckt identifiziert wurden, entsprechend den Ordnungszahlen 43, 61, 72, 75, 85, 87 und 91. Von 1918 bis 1947 alle sieben dieser fehlenden Elemente wurden entdeckt. Zu diesem Zeitpunkt waren auch die ersten vier Transuran-Elemente entdeckt, so dass das Periodensystem bis Curium ( Z  = 96) lückenlos war .

Das Proton und die Idee der Kernelektronen

Im Jahr 1915 wurde der Grund für die Quantisierung der Kernladung in Einheiten von Z , die jetzt als identisch mit der Elementnummer erkannt wurden, nicht verstanden. Eine alte Idee namens Prouts Hypothese hatte postuliert, dass die Elemente alle aus Resten (oder "Protylen") des leichtesten Elements Wasserstoff bestehen, das im Bohr-Rutherford-Modell ein einzelnes Elektron und eine Kernladung von einem hat. Allerdings hatten Rutherford und Thomas Royds bereits 1907 gezeigt, dass Alphateilchen mit einer Ladung von +2 die Kerne von Heliumatomen sind, die eine vierfache, nicht zweifache Masse von Wasserstoff haben. Wenn Prouts Hypothese wahr war, musste etwas die Ladung der Wasserstoffkerne neutralisieren, die in den Kernen schwererer Atome vorhanden sind.

1917 gelang es Rutherford, Wasserstoffkerne aus einer Kernreaktion zwischen Alphateilchen und Stickstoffgas zu erzeugen, und glaubte, das Proutsche Gesetz bewiesen zu haben. Er nannte die neuen schweren Kernteilchen 1920 Protonen (alternative Namen sind Proutonen und Protylen). Aus der Arbeit von Moseley war sofort ersichtlich, dass die Kerne von Schweratomen mehr als doppelt so viel Masse haben, wie man von ihren Wasserstoffkernen erwarten würde , und daher war eine Hypothese für die Neutralisation der vermuteten zusätzlichen Protonen erforderlich in allen schweren Kernen vorhanden. Es wurde angenommen, dass ein Heliumkern aus vier Protonen plus zwei "Kernelektronen" (Elektronen, die im Kern gebunden sind) besteht, um zwei der Ladungen aufzuheben. Am anderen Ende des Periodensystems wurde angenommen, dass ein Goldkern mit einer 197-fachen Masse von Wasserstoff 118 Kernelektronen im Kern enthält, um ihm eine Restladung von +79 zu verleihen, die seiner Ordnungszahl entspricht.

Die Entdeckung des Neutrons macht Z zur Protonenzahl

Alle Berücksichtigung der Kernelektronen endete mit James Chadwick ‚s Entdeckung des Neutrons im Jahr 1932. Ein Atom Gold wurde nun als enthalten 118 Neutronen statt 118 Kernelektronen, und seine positive Ladung jetzt realisiert wurde gesehen vollständig aus einem Inhalt von 79 zu kommen , Protonen. Nach 1932 wurde daher auch die Ordnungszahl Z eines Elements als identisch mit der Protonenzahl seiner Kerne erkannt .

Das Symbol von Z

Das konventionelle Symbol Z stammt möglicherweise vom deutschen Wort Atom z ahl (Ordnungszahl). Vor 1915 wurde jedoch das Wort Zahl (einfache Zahl ) für die einem Element zugewiesene Zahl im Periodensystem verwendet.

Chemische Eigenschaften

Jedes Element hat aufgrund der Anzahl der Elektronen im neutralen Atom, die Z (die Ordnungszahl) ist, eine bestimmte Reihe von chemischen Eigenschaften . Die Konfiguration dieser Elektronen folgt aus den Prinzipien der Quantenmechanik . Die Anzahl der Elektronen in den Elektronenschalen jedes Elements , insbesondere der äußersten Valenzschale , ist der Hauptfaktor bei der Bestimmung seines chemischen Bindungsverhaltens . Daher bestimmt allein die Ordnungszahl die chemischen Eigenschaften eines Elements; und aus diesem Grund kann ein Element definiert werden als aus einer beliebigen Mischung von Atomen mit einer bestimmten Ordnungszahl bestehend.

Neue Elemente

Die Suche nach neuen Elementen wird meist mit Ordnungszahlen beschrieben. Ab 2021 wurden alle Elemente mit den Ordnungszahlen 1 bis 118 beobachtet. Die Synthese neuer Elemente wird erreicht, indem Zielatome schwerer Elemente mit Ionen beschossen werden, so dass die Summe der Ordnungszahlen der Ziel- und Ionenelemente gleich der Ordnungszahl des erzeugten Elements ist. Im Allgemeinen wird die Halbwertszeit eines Nuklids mit zunehmender Ordnungszahl kürzer, obwohl unentdeckte Nuklide mit bestimmten „ magischen “ Zahlen von Protonen und Neutronen relativ längere Halbwertszeiten haben und eine Insel der Stabilität bilden können .

Siehe auch

Verweise