Die Bausteine der Schöpfung

SCHAU dich um auf unserer Erde. Was siehst du? Wohl jeder ist tief beeindruckt von der erhabenen Schönheit der Berge, den faszinierenden Farben und Formen der Pflanzen und den Fähigkeiten, mit denen die Tiere ausgestattet sind. Die Vielfalt und Kompliziertheit der Schöpfung übersteigt einfach unsere Vorstellungskraft.

Hast du dich schon jemals gefragt, woher die große Vielfalt all der schönen und ehrfurchteinflößenden Dinge kommt? Woraus sind die Bausteine zusammengefügt, so daß sie die zahllosen stofflichen Dinge, die wir um uns sehen, bilden? Wenn wir die zahllosen wunderbaren Dinge der Schöpfung betrachten, erscheint uns alles als feste Körper. Überrascht es dich, zu erfahren, daß alles aus Bausteinen zusammengesetzt ist, die zu 99,9 Prozent aus nichts, aus leerem Raum, bestehen?

Jahrtausendelang hat sich der Mensch bemüht, dem Geheimnis, woraus alles Stoffliche besteht, auf die Spur zu kommen. Ein Wörterbuch definiert Materie als „das, woraus alles besteht“. Doch woraus besteht alles? Erst in unserem Jahrhundert, ja erst in den vergangenen dreißig oder vierzig Jahren, haben die Wissenschaftler eigentlich begonnen, die Grundbausteine der stofflichen Materie zu verstehen. Die Forscher sagen jetzt, daß alles Stoffliche: Steine, Pflanzen, Tiere, Flüsse oder irgend etwas anderes, was wir durch unsere Sinnesorgane wahrnehmen können, aus Bausteinen bestehe, die aus drei Grundbestandteilen zusammengesetzt seien.

Diese drei Grundbestandteile sind — je nachdem, wie viele davon in einem Baustein vorhanden sind — für die charakteristischen Eigenschaften jedes Bausteins oder „Atoms“, das sie bilden, verantwortlich.a

Doch zuerst möchten wir noch einiges durch Definitionen klarstellen. Mit dem Ausdruck „Atom“ meinen wir „den kleinsten Materieteil chemischer Elemente“, und unter einem „Element“ versteht man „einen Grundstoff der sich chemisch nicht weiter zerlegen läßt“. Wenn wir zum Beispiel etwas von dem Element, das wir als Gold kennen, nehmen würden und es immer weiter zerlegten, verlöre es, wenn man es noch weiter (über das Atom hinaus) zerlegte, schließlich seine ursprüngliche chemische Identität. Dieser kleinste Teil ist das Atom. Würde man die Teilung fortsetzen, dann würde man das Atom in die erwähnten Teile zerlegen: Protonen, Neutronen und Elektronen.

Die Protonen und Neutronen sind im Gewicht ungefähr gleich, der Unterschied zwischen Protonen und Neutronen besteht jedoch darin, daß die Protonen positiv geladene Elementarteilchen sind, die Neutronen dagegen keine elektrische Ladung haben und daher also neutral sind. Die Protonen und Neutronen sind, verglichen mit den Elektronen, riesig. Ihre Masse ist etwa das Zweitausendfache der Masse der Elektronen. Die winzigen Elektronen haben eine negative elektrische Ladung, und da ihre Zahl immer der Zahl der Protonen entspricht, ist das Atom ein neutraler Körper.

Diese drei grundlegenden Bestandteile werden in steigender Zahl aufgebaut, um Atome der verschiedenen Elemente zu bilden oder die Bausteine der Schöpfung. Wie viele gibt es davon? Lange glaubte man, es gäbe nur vier Elemente: Luft, Feuer, Erde und Wasser. Doch je mehr der Mensch forschte, desto mehr Elemente entdeckte er. Jetzt beträgt ihre Zahl über hundert; einige davon sind künstlich hergestellt worden und sind unbeständig.

Doch was ist darüber zu sagen, daß ein Atom zu 99,9 Prozent aus leerem Raum besteht? Wie würde ein einzelnes Atom von irgendeinem der Wunderdinge, die wir um uns erblicken, aussehen, wenn wir es sehen könnten? Wie ist ein Atom gebaut?

Der Aufbau des Atoms

Alle Atome haben einen Kern, bestehend aus Protonen und Neutronen, um den sich Elektronen bewegen. Eine Ausnahme bildet das Atom des einfachsten Elements, des Wasserstoffs, dessen Kern nur aus einem Proton besteht, um den sich nur ein Elektron bewegt.

Man könnte somit das Ganze mit einem winzigen Sonnensystem vergleichen, in dem sich die Elektronen auf verhältnismäßig großen Bahnen um den kleinen, kompakten Kern bewegen, ähnlich wie die Planeten um die Sonne. Dieses mikroskopische Planeten-Sonnen-System ist bei jedem Element anders und ist in jedem Atom des Elements vorhanden. Welche Kraft hat alles das erzeugt? Nachstehend findet der Leser das Schema eines Kohlenstoffatoms:

Natürlich können wir mit bloßem Auge kein Atom sehen, weil Atome unendlich klein sind. Der Durchmesser dieser winzigen „Planeten-Sonnen-Systeme“ beträgt nicht den 250millionsten Teil eines Zentimeters! Und der Kern oder die „Sonne“ ist hunderttausendmal kleiner als das ganze Atom!

Wenn man bedenkt, daß in einem Atom ein bis über hundert Elektronen sein können, je nachdem um welches Element es sich handelt, ist es da nicht überwältigend, über den wunderbaren Aufbau des winzigen Atoms nachzudenken?

Es fasziniert uns, wenn wir erfahren, daß alle Materie, alle anscheinend festen Körper, angefangen vom grünen Gras bis zum Kuhschwanz und den Bergen, aus Millionen und aber Millionen dieser winzigen Atome bestehen, Atome, in denen zwischen dem Kern und den ihn umgebenden Elektronen leerer Raum ist. Ja, das Atom ist zur Hauptsache leerer Raum. So lesen wir in dem Buch Die Materie von Ralph E. Lapp und der Redaktion der TIME-LIFE-BÜCHER auf Seite 8: „Bildlich gesprochen würde die gesamte Masse der Siegessäule in Berlin [67 Meter] in dem Radiergummi an einem Bleistift Platz haben, wenn man die Atome auf die Größe ihres eigentlichen Kerns zusammenpressen könnte.“

In jedem Atom bewegen sich die Elektronen in einer „Elektronenschale“, und jede dieser „Schalen“ hat einen ganz bestimmten Abstand vom Kern. Bei den komplizierteren Atomen, bei denen mehr Grundbestandteile vorhanden sind, bewegen sich in diesen „Schalen“ zusätzliche Elektronen.

Das Diagramm des Kohlenstoffatoms zeigt zwei Elektronen in der inneren Schale und vier in der äußeren Schale. Bei einem Aluminiumatom wären zwei Elektronen in der inneren, acht in der mittleren und drei in der äußeren Schale. In anderen Worten, es handelt sich hier nicht um eine ungeordnete Masse Elektronen, sondern es ist alles streng geordnet.

Da wir uns dafür interessieren, wie diese Bausteine zu all den wundervollen Dingen vereinigt werden, die uns so entzücken, interessieren wir uns ganz besonders für diese winzigen Teilchen, die Elektronen. Wieso? Weil die Bindungsfähigkeit jedes Atoms von der Anordnung der den Kern umgebenden äußeren Elektronen abhängt. Diese Bindungsfähigkeit nennt man „Valenz“.

Verbindung durch Aufnahme von Elektronen

Die weitere Erforschung des Atoms ergab, daß ein Element mit einer vollständigen Elektronenzahl (gewöhnlich 8) in seiner Valenzschale (der Aufnahme- und Abgabeschale) äußerst reaktionsträge ist; das bedeutet, es verbindet sich nicht leicht mit anderen Atomen. Diese reaktionsträgen Elemente sind als Edelgase bekannt: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon.

Allmählich konnte man sich ein Bild von den Elektronenschalen aller Elemente machen. Man stellte fest, daß die Atome das Bestreben haben, eine stabile äußere Elektronenschale aufzubauen. Die Valenzentheorie erklärt das, indem sie zeigt, daß die Atome das tun, entweder indem sie Elektronen aufnehmen oder abgeben, oder indem sie Elektronen mit anderen Atomen teilen. Ein Element, bei dem die äußere Elektronenbahn mit sieben Elektronen besetzt ist, zum Beispiel Chlor, wird ein Elektron von einem Element aufnehmen, das in der äußeren Schale ein Elektron hat, zum Beispiel Natrium. Das nachstehende Diagramm zeigt, wie das geschehen würde:

Natrium, ein weiches, silberweißes Metall, das 1807 entdeckt wurde, ist ein sehr aktives Element, das mit Wasser heftig reagiert. Es besitzt insgesamt elf Elektronen: auf der inneren Schale zwei, auf der mittleren acht und auf der äußeren eines. Das Chlor, das 1774 entdeckt wurde, ist ein gelbgrünes Gas. Man hat es zum Bleichen, Desinfizieren und auch als Giftgas verwendet. Das Chloratom hat siebzehn Elektronen; die Elektronenbahnen sind mit zwei bzw. acht bzw. sieben Elektronen besetzt. Das Diagramm, auf dem nur die äußerste Elektronenschale dargestellt ist, zeigt, wie sich diese Bausteine verbinden und was sich aus dieser Verbindung ergibt.

Das Chloratom nimmt vom Natriumatom ein Elektron auf; durch die Aufnahme dieses zusätzlichen Elektrons wird es negativ geladen, das Natriumatom dagegen wird positiv geladen. Diese elektrisch geladenen Atome, „Ionen“ genannt, ziehen sich wegen ihrer unterschiedlichen Ladung gegenseitig an, und sie haften so fest aneinander, daß die Verbindung entsteht, die als Natriumchlorid oder Kochsalz bekannt ist.

Aus diesen beiden scheinbar so ungleichen Bausteinen, von denen jeder charakteristische Eigenschaften hat, erhalten wir das Kochsalz, das für das Leben so wichtig ist. Durch diese Neuordnung, an der nur ein Elektron beteiligt ist, entsteht eine völlig neue Substanz! Eine solche Bindung nennt man Ionenbindung oder Elektrovalenzbindung.

Bindung durch gemeinsame Elektronen

Eine andere Art der Bindung ist die kovalente Bindung. Bei dieser Bindung haben zwei Atome zwei oder mehrere gemeinsame Elektronen und bilden so die erforderliche stabile äußere Elektronenschale. Ein Beispiel dafür ist die Verbindung von zwei Kohlenstoffatomen, sechs Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom zu einem Molekül des Äthylalkohols, des berauschenden Bestandteils vieler Getränke. Die kovalente Bindung jedes der gemeinsamen Elektronenpaare wird in der nachstehenden Strukturformel durch einen Strich dargestellt:

Dadurch, daß die Kohlenstoffatome und das Sauerstoffatom Elektronenpaare gemeinsam haben, wird eine stabile äußere Schale von acht Elektronen aufgebaut, während die Wasserstoffatome die äußeren Elektronenschalen mit zwei Elektronen aufbauen.

Noch komplizierteres Ineinandergreifen

Natürlich wird das Ineinandergreifen der Atome und ihre Anziehung noch viel komplizierter, wenn die weit komplexeren Moleküle, aus denen die organischen Verbindungen bestehen, Verbindungen, die Kohlenstoff in ihren Molekülen haben, gebildet werden. Eine dieser organischen Substanzen mag als Veranschaulichung dienen. Nachstehend findet der Leser ein Diagramm, das die Strukturformel eines Moleküls der bewunderungswürdigen Substanz, Chlorophyll genannt, darstellt:

Man überlege: Hier sind 72 Wasserstoffatome, 55 Kohlenstoffatome, 5 Sauerstoffatome, 4 Stickstoffatome und ein Magnesiumatom — einige dieser Atome sind bereits sozusagen vorfabrizierte Einheiten — zu einem Chlorophyllmolekül aufgebaut, dem Molekül eines Stoffes, der zu den wichtigsten pflanzlichen Farbstoffen gehört. Das ist der Stoff, der bewirkt, daß die Pflanzen grün sind; er bildet die Voraussetzung für die wunderbare Eigenschaft der Pflanzen, die Strahlungsenergie der Sonne für den Gebrauch der Pflanzen in chemische Energie umzuwandeln.

Kannst du dir das unglaubliche Ineinandergreifen der Elektronen vorstellen, während sie um den Kern kreisen, um die verschiedenen Atome zu verbinden, so daß ein einziges Chlorophyllmolekül entsteht? Wenn man bedenkt, daß Millionen und aber Millionen solcher Moleküle erforderlich wären, um den Punkt am Schluß dieses Satzes zu bedecken, wird man unweigerlich von einer noch tieferen Ehrfurcht vor dem Schöpfer dieser Dinge erfüllt.

Die Wissenschaftler haben erst begonnen, das Geheimnis darüber, wie und warum die verschiedenen Bausteine sich verbinden, zu lüften, doch sie wissen, daß unveränderliche Gesetze diese Verbindungen steuern. Sie staunen über den unvorstellbar komplizierten Vorgang, durch den die ungeheuer komplexen Zellen aller Lebensformen aus diesen bereits komplizierten Stoffen die Vielzahl der Lebewesen auf unserer Erde aufbauen.

Folgendes Diagramm zeigt, wie aus unfaßbar kleinen Atomen all die großartigen Werke aufgebaut werden, die wir in der Schöpfung sehen:

Blicke dich um, und denke darüber nach, welch eine Weisheit und Intelligenz erforderlich waren, um all die stofflichen Dinge zu schaffen, die wir kennen, vom winzigsten Samenkorn bis zum grenzenlosen Weltall — und alles aus Bausteinen, die zu 99,9 Prozent leerer Raum sind.

[Fußnote]

[Diagramm auf Seite 13]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Der Kern des Kohlenstoffatoms besteht aus 6 Protonen und 6 Neutronen; um diesen Kern bewegen sich 6 Elektronen, 2 auf der inneren Schale und 4 auf der äußeren.

[Diagramm auf Seite 14]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Verbindung von Natrium- und Chloratom

Natrium Chlor + −

Atome (nur äußere Ionen — bilden

Elektronenschalen) Natriumchlorid

[Diagramm auf Seite 14]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Äthylalkoholmolekül

C: Kohlenstoffatom

H: Wasserstoffatom

O: Sauerstoffatom

[Diagramm auf Seite 15]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Chlorophyll-a-Molekül

H: Wasserstoffatom (72)

C: Kohlenstoffatom (55)

O: Sauerstoffatom (5)

N: Stickstoffatom (4)

Mg: Magnesiumatom (1)

[Diagramm auf Seite 15]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Drei Grundbestandteile

Protonen

Neutronen

Elektronen

Atome Verbindungen Alle Materie

über 100 Elemente anorganische und organische belebte und unbelebte