Hey guys!

At first…

To start with, I have one remark on my own behalf: Because I treat in my articles mainly (chemical) things from everyday life and I plan to write quite a few in the future, I decided to run this series under the headline “Science for Everybody” from now on. It starts with #4 because I cannot edit the first articles anymore.
I’d also like to point out, that I intentional don’t want to go into the deep from a scientist’s point of view, use many formulas or something, but I want to try to make the background easy understandable for everyone. If someone wants to know more details, it is then always possible to access them with other sources.

Today’s topic

The aim of this article is to make clear some basics. Sorry if it might be boring today. The basics are important for some future topics and so I may refer to this post and use the saved words for further explanations of other things.
Today, we look at the structure of atoms first and then we will see how metals distinguish from nonmetals and how compounds are formed.

The atom

I’d like to keep the general imagination of an atom as simple as possible. If we need it more detailed someday, we can deepen our understanding. In the first post of this series, I already gave you a basic image of atoms. It is based on the atomic model by Niels Bohr and today, we want to expand it a little more:

The structure

So, atoms are made of a solid core. Around this, there are onion-like shells. The core itself consists of the so-called nucleons. These are two types of particles: the protons and the neutrons. Both have about the same weight. But, they distinguish from each other because protons are electrical positive charged and neutrons have no charge, so they are electrical neutral. In the shells, there are the electrons. Contrary to their colleagues, they have nearly no weight at all and they have an electrical negative charge. So, they are kind of a counterpart of the protons. An atom itself is always electrical neutral altogether. This means, there must be as many electrons as protons to make the charges equalize each other.

The arrangement of electrons

The number of protons determines to which element our atom belongs. For example, every hydrogen atom has 1 proton, every oxygen atom 8 protons and every gold atom has 79 protons. Contrary, the number of neutrons may vary. So, the so-called isotopes form which we may discuss in another article.
The electrons are spread on the shells. For this, there are several rules. At the moment, the most important of these has to do with the number of electrons per shell. There may not be a random number on a shell, because the negative charges push off (like magnets with the same orientation).
The innermost shell has room for two electrons, the second for eight, the third for 18 and every other for 32 electrons. Because our electrons are so lazy, they fill the shells beginning from the innermost. But, there is one characteristic: on the outmost shell, there are maximum 8 electrons. If these are reached, the next shell will be begun and the other filled up later.
The reason for this behavior is, that 8 electrons on the outmost shell (by the way, these are called valence electrons) are especially stable. This can be seen by the fact, that every element with 8 valence electrons shows nearly no reactivity – these are the so-called noble gases which form nearly no compounds with other elements. Therefore, the state with 8 valence electrons is also called noble gas configuration. Because this configuration is so stable, every other element tries to reach it too.

Metals, semimetals and nonmetals

I presume that everyone has an imagination of a metal: most of them are light to dark grey, glossy substances. From a chemist’s point of view, another property is much more important: metals like to give away their (valence) electrons. If this happens, there are too much positive charges in the atom – an ion is formed (because it is a positively charged ion, it is called cation). Contrary, nonmetals like to take up electrons. So, a negatively charged anion is formed. The semimetals are somewhat undecided in this question and they behave (dependent from the partner) sometimes more like a metal and sometimes more like a nonmetal.

Compounds

Most of the atoms have no other choice than to work together to reach their 8 electrons – they form compounds. Here, we can distinguish three sorts:
###The common thing between salt, stone and ceramics
The first possibility to get together is between a metal and a nonmetal. They make terms rather quickly, because the metal wants to give away its electrons and the nonmetal likes to accept them. Because so, there are formed two ions, it is called the ionic bond. The formed positively and negatively charged ions attract each other (like magnets with different orientation) and get surrounded by each other. The resulting compounds are called salts but many ceramics and minerals are also built up from ions. Generally, they melt at very high temperatures, isolate electric current in the solid state and they are very hard but brittle (i.e. they crack). It is not important; how many ions are part of the bonding as long as there equal positively and negatively charged ions.

Metals among themselves

If a metal does not find a nonmetallic partner, it must arrange with its metal-colleagues. So, a metal in its pure state is formed (e.g. iron) or an alloy consisting of different metals. Because all of them want to give away their electrons, kind of collecting basin is opened. One imagination of the metallic bond bases on the picture, that all electrons are put together in a pot and then they are spread on all atoms (it is the so-called electron gas). This can move freely and leads to typical properties of metals (like electrical conductivity in solid and molten state and plasticity/forgeability). Here it is either not important, how many atoms are put together.

Two nonmetals and the difficult compromise

When two nonmetals meet, they both are in trouble: both want to have more electrons but none wants to give away some. The only way to make them reasonably happy is that they share the electrons with their neighbor. It is called a covalent bond and one bond is always formed of two electrons which count for both atoms then. Therefore, some atoms must form more than one bond. Thus, atoms cannot arrange in any number and their arrangement plays a role (some need only one bond, other three and so on). The resulting formations are called molecules. They have a well-defined structure in which they are strong bonded but two molecules stick to each other only relatively weak. Therefore, typical molecule-based compounds have relatively low melting and boiling points and are liquid or even gaseous at room temperature (e.g. oxygen, water or fuel).

Terminating for now

I hope you stayed with me with this rather boring stuff and you will be with me next time anyway. Unfortunately, sometimes we need to open the scope a little bit. Next time we will surely talk about some things of our everyday life. For this, I now may refer to these explanations and you can look up, if you need to.

Sources of the cartoons: https://wirdou.com/

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Hallo Leute!

Zunächst einmal…

Vorab eine Bemerkung in eigener Sache: Da ich mich in meinen Artikeln hauptsächlich (chemischen) Dingen aus dem Alltag widme und es sicherlich noch einige mehr werden, habe ich beschlossen, diese Reihe ab heute unter der Überschrift „Wissenschaft im Alltag“ laufen zu lassen. Es startet mit #4, da ich die ersten drei Artikel leider nicht mehr editieren kann.
Ich möchte außerdem nochmal betonen, dass ich ganz bewusst aus wissenschaftlicher Sicht nicht in die Tiefe gehe, viele Formeln verwende oder ähnliches, sondern versuche, die Hintergründe soweit verständlich zu machen, dass jeder sie verstehen kann. Wenn jemand mehr Details möchte, ist es dann immer noch möglich, über andere Quellen tiefer einzusteigen.

Heutiges Thema

Der heutige Artikel soll dazu dienen, einige – möglicherweise langweilige (sorry dafür!) – Grundlagen zu erläutern. Diese sind sicherlich für einige andere Themen nötig, die ich in Zukunft behandeln werde und so kann ich bei Bedarf immer wieder auf diesen Artikel verweisen und den gesparten Platz nutzen, um andere Dinge ausführlicher zu erklären.
Heute geht es darum, wie Atome grundsätzlich aufgebaut sind, was Metalle und Nichtmetalle unterscheidet und wie Verbindungen entstehen.

Das Atom

Ich möchte die grundsätzliche Vorstellung von Atomen so einfach, wie möglich halten. Falls wir doch nochmal tiefer einsteigen müssen, werden wir das zu gegebener Zeit tun. Ein grundlegendes Bild von Atomen habe ich euch in meinem ersten Post dieser Reihe schon erzählt. Es basiert auf dem Atommodel von Niels Bohr und soll heute noch etwas erweitert werden:

Der Aufbau

Atome bestehen also aus einem festen Kern, um den sich – wie bei einer Zwiebel – Schalen befinden. Der Kern selbst ist aus sogenannten Nukleonen aufgebaut. Dabei handelt es sich um zwei Sorten Teilchen: Protonen und Neutronen. Beide sind etwa gleich schwer, was sie aber unterscheidet ist, dass die Protonen elektrisch positiv geladen sind und die Neutronen elektrisch neutral, also ungeladen. In den Schalen befinden sich die Elektronen. Diese wiegen im Gegensatz zu ihren Kollegen fast nichts und sind elektrisch negativ geladen. In dieser Hinsicht sind sie also so etwas wie die Gegenspieler der Protonen. Ein Atom ist dabei selbst immer als Ganzes elektrisch neutral – das bedeutet, es muss immer genau so viele Elektronen wie Protonen geben, damit die Ladungen sich gegenseitig aufheben.

Die Anordnung der Elektronen

Die Anzahl der Protonen legt fest, um welches Element es sich bei dem Atom handelt – so hat z.B. jedes Wasserstoffatom 1 Proton, jedes Sauerstoffatom 8 Protonen und jedes Goldatom 79. Die Zahl der Neutronen dagegen kann variieren. Dadurch entstehen die sogenannten Isotope, worüber wir evtl. ein anderes Mal reden.
Die Elektronen verteilen sich nun auf die Schalen. Hierbei gibt es bestimmte Regeln, von denen die für uns im Moment wichtigste mit der Anzahl der Elektronen pro Schale zu tun hat. Es können nämlich nicht beliebig viele von ihnen in einer Schale sitzen, da die negativen Ladungen sich gegenseitig abstoßen (wie gleichpolige Magneten).
In der innersten Schale ist nur Platz für zwei Elektronen, in der Zweiten für acht, in der Dritten für 18 und in jeder weiteren Platz für 32 Elektronen. Da unsere Elektronen so faul sind, füllen sie die Schalen von innen auf. Eine Besonderheit gibt es dabei: Auf der äußersten Schale sind immer nur 8 Elektronen, dann wird erstmal die nächste angebrochen und die andere später aufgefüllt.
Der Grund hierfür ist, dass 8 Elektronen auf der äußersten Schale (diese nennt man übrigens Valenzelektronen) besonders stabil sind. Man kann dies daran sehen, dass alle Elemente, die 8 Valenzelektronen besitzen, besonders unreaktiv sind – es handelt sich dabei um die so genannte Edelgase, die fast keine Verbindungen mit anderen Elementen eingehen. Die Anordnung mit 8 Valenzelektronen heißt daher auch Edelgaskonfiguration. Und weil diese Anordnung so stabil ist, versuchen alle Atome, sie nachzumachen.

Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle

Unter einem Metall kann sich vermutlich jeder von uns etwas vorstellen: Die meisten von ihnen sind hell- bis dunkelgraue, glänzende Stoffe. Aus Sicht des Chemikers ist eine andere Eigenschaft wichtiger: Metalle geben ihre (Valenz)Elektronen relativ leicht ab. Wenn das passiert, bleiben natürlich positive Ladungen übrig – es bildet sich ein elektrisch geladenes Teilchen, ein Ion (da es ein positives Ion ist, nennt man es Kation). Nichtmetalle dagegen nehmen viel lieber Elektronen auf, dabei bildet sich ein negativ geladenes Anion. Halbmetalle können sich diesbezüglich nicht so recht entscheiden und sind je nach Partner manchmal mehr wie ein Metall und manchmal mehr wie ein Nichtmetall.

Verbindungen

Um ihre 8 Elektronen zu erhalten, bleibt den Atomen meistens nichts anderes übrig, als sich zusammenzutun – sie bilden Verbindungen. Hierbei können wir drei Arten unterscheiden:

Was Salz, Stein und Keramik gemeinsam haben:

Die erste Möglichkeit, sich zusammenzutun besteht zwischen einem Metall und einem Nichtmetall. Beide sind sich dabei schnell einig, da das Metall seine Elektronen gerne abgibt und das Nichtmetall sie haben will. Da sich dabei jeweils ein Ion bildet, spricht man auch von der ionischen Bindung. Die entstehenden positiv und negativ geladenen Ionen ziehen sich gegenseitig an (wie ungleich gepolte Magneten) und umgeben sich gegenseitig miteinander. Die resultierenden Verbindungen nennt man Salze, aber auch viele Keramiken und Minerale sind so aufgebaut. Sie sind im Allgemeinen dadurch gekennzeichnet, dass sie erst bei sehr hohen Temperaturen schmelzen, im festen Zustand keinen Strom leiten und sehr hart, aber spröde (d.h. sie brechen) sind. Es ist in erster Linie egal, wie viele Ionen sich beteiligen, solange insgesamt gleich viele positive und negative Ladungen da sind.

Metalle untereinander

Findet ein Metall keinen nichtmetallischen Partner, so muss es sich wohl oder übel mit anderen Metall-Kollegen vergnügen. Hierbei entsteht das Metall in reiner Form (z.B. Eisen) oder eine Legierung aus verschiedenen Metallen. Da alle ihre Elektronen abgeben wollen, wird eine Art Sammelbecken eröffnet. Eine Vorstellung der metallischen Bindung beruht darauf, dass einfach alle Elektronen in einen Topf geworfen werden und sie sich anschließend um alle Atome verteilen (man spricht vom sogenannten Elektronengas). Dieses ist frei beweglich, was zu den typischen Eigenschaften (wie elektrische Leitfähigkeit im festen und flüssigen Zustand und Verform- bzw. Schmiedbarkeit) führt. Dabei ist es ebenfalls egal, wie viele Atome sich an dem gemeinsamen Konstrukt beteiligen.

Zwei Nichtmetalle und der schwierige Kompromiss

Bei einem Zusammentreffen zweier Nichtmetalle haben beide ein Problem: Beide wollen gerne mehr Elektronen haben, aber keiner möchte etwas abgeben. Der einzige Weg, um beide halbwegs zufriedenzustellen, besteht darin, dass sie ihre Elektronen mit ihrem Nachbarn teilen. Man nennt dies eine kovalente Bindung, wobei eine Bindung immer aus zwei Elektronen besteht, die dann zu beiden Atomen zählen. Daher müssen die Atome evtl. mehrere Bindungen ausbilden. Dies führt dazu, dass sich nicht beliebig viele Atome miteinander verbinden können und auch ihre Anordnung eine Rolle spielt (manche brauchen nur eine Bindung, andere 3 usw.). Die entstehenden Gebilde werden dann Moleküle genannt. Sie haben eine definierte Struktur und sind innerhalb sehr fest gebunden, zwei Moleküle allerdings hängen nur lose zusammen. Typische Molekülverbindungen haben daher meist einen eher niedrigen Schmelz- und Siedepunkt und sind bei Raumtemperatur flüssig oder sogar gasförmig (z.B. Sauerstoff, Wasser, Benzin).

Zum Abschluss

Ich hoffe, ihr konntet mir heute mit dem etwas trockenen Stoff folgen und dass ihr beim nächsten Mal trotzdem wieder dabei seid. Leider muss man manchmal etwas weiter ausholen und nächstes Mal wird es bestimmt wieder etwas anschaulicher um Dinge in unserem Alltag gehen. Dafür kann ich jetzt jederzeit auf diese Beschreibungen zurückgreifen und ihr könnt bei Bedarf dann hier nachlesen.

Quelle der Cartoons: https://wirdou.com/