Geologie

Warum die Chemie der Mineralien studieren? Mineralien bestehen aus Atomen, die sich auf das Verhalten und die Eigenschaften des Minerals auswirken. Um das Verhalten von Mineralien und Gesteinen—die aus Mineralien bestehen—zu verstehen, zu erklären und vorherzusagen, müssen wir einige grundlegende Fakten über Atome und ihr Verhalten verstehen. Dies erfordert ein grundlegendes Verständnis einiger Chemie. Wir beginnen mit der Konstruktion von Atomen in unserem Denken in Bezug auf die drei subatomaren Teilchen, aus denen Atome bestehen.,

Abbildung 1. Elemente wie Helium, die hier abgebildet sind, bestehen aus Atomen. Atome bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich innerhalb des Kerns befinden, wobei Elektronen in Orbitalen den Kern umgeben.

Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen haben eine positive (+) elektrische Ladung. Elektronen haben eine negative ( − ) Ladung, die genau gleich und entgegengesetzt zur elektrischen Ladung eines Protons ist. Neutronen sind elektrisch neutral.

Der größte Teil der Masse eines Atoms ist in seinen winzigen Kern gepackt., Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die ungefähr die gleiche Masse haben (etwa 1,67 × 10-24 Gramm). Elektronen hingegen sind in bestimmten Orbitalen um den Kern eines Atoms angeordnet; Sie haben auch eine viel kleinere Masse als Protonen und Neutronen und wiegen nur 9, 11 × 10, 28 Gramm oder etwa 1/1800 das Gewicht von Protonen und Neutronen.

Obwohl die Masse eines Elektrons im Vergleich zur Masse eines Protons oder Neutrons eine winzige Masse ist, nehmen die Elektronen den größten Teil des Volumens eines Atoms ein (siehe Abbildung 1).,

Ionen

Ein neutrales atom hat die gleiche Anzahl von Elektronen wie Protonen. Ein Atom, das Elektronen verloren oder gewonnen hat, ist kein elektrisch neutrales Atom mehr. Diese Art von Atom, die nicht elektrisch neutral ist und eine damit verbundene elektrische Ladung hat, wird als Ion bezeichnet. Atome, die Elektronen gewonnen haben, sind negativ ( − ) geladene Ionen oder Anionen. Atome, die Elektronen verloren haben, sind positiv ( + ) geladene Ionen oder Kationen.

Es ist auch möglich, Ionen zu haben, die tatsächlich kleine Gruppen von Atomen miteinander verbunden sind. Diese sind als polyatomare Ionen bekannt., Ein Beispiel für ein polyatomares Ion ist das Carbonat-Ion (CO3) 2−, das zwei zusätzliche Elektronen hat und ihm die elektrische Nettoladung von 2−gibt.

Das Periodensystem

Natürlich vorkommende Atome auf der Erde reichen von Wasserstoff mit nur einem Proton im Kern bis hin zu Uran mit 92 Protonen im Kern. Dies sind die natürlich vorkommenden chemischen Elemente, zu denen allgemein bekannte Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen usw. gehören., Das Periodensystem listet alle chemischen Elemente auf eine Weise auf, die uns sagt, wie viele Protonen jedes von ihnen hat, wie seine Elektronen angeordnet sind und wie das allgemeine chemische Verhalten jedes Elements ist.

Abbildung 2. Folgen Sie diesem Link zu einer großen Version des Periodensystems. Der Link wird in einem neuen Fenster geöffnet, sodass Sie beim Lesen dieser Seite problemlos darauf verweisen können.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, besteht das Periodensystem aus achtzehn Gruppen und sieben Perioden., Zwei zusätzliche Reihen von Elementen, die als Lanthanide und Actinide bekannt sind, werden unter dem Haupttisch platziert. Diese Elemente werden separat platziert, um den Tisch kompakter zu machen. Alle Elemente in einer Gruppe haben ein ähnliches chemisches Verhalten. Dies liegt daran, dass alle Elemente in einer Gruppe eine ähnliche Anordnung von Elektronen in ihren Atomen haben, und es ist die Elektronenanordnung, die das chemische Verhalten eines Elements bestimmt.

Für jedes Element werden der Name, das Atomsymbol, die Ordnungszahl und die Atommasse angegeben., Die Ordnungszahl ist eine ganze Zahl, die die Anzahl der Protonen darstellt: Jedes chemische Element unterscheidet sich durch die Anzahl der Protonen in seinem Kern. Zum Beispiel hat jedes Atom des Elements Sauerstoff acht Protonen in seinem Kern. Deshalb ist die Ordnungszahl von Sauerstoff 8. Wenn ein Atom mehr oder weniger als acht Protonen in seinem Kern hat, ist es kein Sauerstoff, sondern ein anderes chemisches Element. Im Periodensystem ist die Ordnungszahl jedes Elements über dem chemischen Symbol des Elements aufgeführt.,

Die Atommasse, die die durchschnittliche Masse verschiedener Isotope ist, wird auf zwei Dezimalstellen geschätzt. Zum Beispiel hat Wasserstoff das Atomsymbol H, die Ordnungszahl 1 und eine Atommasse von 1,01. Die Atommasse ist immer größer als die Ordnungszahl. Für die meisten kleinen Elemente ist die Atommasse ungefähr doppelt so groß wie die Ordnungszahl, da die Anzahl der Protonen und Neutronen ungefähr gleich ist.

Die Elemente sind in drei Kategorien unterteilt: Metalle, Nichtmetalle und Metalloide. Diese bilden eine diagonale Linie von Periode zwei, Gruppe dreizehn bis Periode sieben, Gruppe sechzehn., Alle Elemente links von den Metalloiden sind Metalle und alle Elemente rechts sind Nichtmetalle.

Das Periodensystem wurde erstellt, um Chemikern zu helfen, Elemente und ihre Funktionsweise besser zu verstehen. Es ist eine Karte zum elementaren Verhalten.

Isotope

Jedes Atom eines bestimmten Elements muss die gleiche Anzahl von Protonen in seinem Kern haben. Diese Zahl ist ihre Ordnungszahl. Es gibt jedoch eine Reihe möglicher Neutronenzahlen, die es in seinem Kern haben kann., Die Tatsache, dass Atome eines chemischen Elements eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben können, führt dazu, dass jedes chemische Element mehrere Isotope aufweist. Isotope sind Atome eines bestimmten chemischen Elements, die eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen in ihren Kernen haben.

Während beispielsweise alle Atome des Elements Sauerstoff acht Protonen in ihren Kernen haben, können diese Sauerstoffatome acht, neun oder zehn Neutronen haben. Die unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Kern unterscheidet die drei Isotope von Sauerstoff. Sauerstoff-16 ist das Isotop von Sauerstoff mit 8 Neutronen in seinem Kern., Die Zahl 16 wird als Atommassenzahl bezeichnet. Die Atommassenzahl ist die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen im Kern eines Isotops. Aus dieser Definition und dem Wissen, dass alle Sauerstoffatome 8 Protonen im Kern haben, können Sie ableiten, dass Sauerstoff-17 das Sauerstoffisotop mit 9 Neutronen und Sauerstoff-18 das Sauerstoffisotop mit 10 Neutronen ist. Die drei Sauerstoffisotope werden in Symbole abgekürzt und als 16O, 17O und 18O geschrieben.,

Isotope sind nicht sehr wichtig für das Verständnis von Mineralien, sind aber wichtig für das Verständnis, wie man Chemie und Kernphysik auf die Geologie anwendet, z. B. wie man Messungen radioaktiver Isotope verwendet, um das Alter von Gesteinen und Mineralien zu messen und wie man Sauerstoffisotope aus Eisschichten verwendet, um die Temperatur der Erde während einer Eiszeit zu bestimmen.

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