Alles auf der Welt, ob natürlich oder synthetisch, besteht aus winzigen Strukturen, den Atomen, die aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Protonen haben eine positive Ladung, Neutronen haben keine Ladung und Elektronen haben eine negative Ladung. Das Gleichgewicht dieser Teilchen bestimmt die Gesamtladung eines Atoms. Ein positiv geladener Gegenstand, wie eine Person, die mit Socken bedeckten Füßen kräftig auf einem Teppich reibt, enthält mehr positive Teilchen (Protonen) als negative (Elektronen). Da positive Atome von negativen angezogen und von anderen positiven abgestoßen werden, beeinflussen die Ladungen der Atome, aus denen ein Stück Materie besteht, stark seine Eigenschaften und sein Verhalten.
Atomare Ladungen
Atome, die Grundeinheit der Materie, haben einen Kern aus Protonen und Neutronen, um den ein oder mehrere Elektronen gebunden sind. Die Anzahl der Protonen bestimmt, welches Element das Atom ist und wird als seine Ordnungszahl angegeben. Magnesium hat zum Beispiel 12 Protonen, was ihm die Ordnungszahl 12 gibt, während Sauerstoff acht hat. Wenn sich Atome verbinden, werden sie zu Molekülen.
Elektronen und Protonen haben nicht die gleiche Größe und das gleiche Gewicht – Elektronen sind kleiner und leichter als Protonen –, aber sie haben die gleiche Ladungsmenge. Das heißt, eine übereinstimmende Anzahl von Protonen und Elektronen hebt sich in Bezug auf die Gesamtladung auf. Da Neutronen neutral sind, hat ihre Anzahl keinen Einfluss auf die Ladung eines Atoms.
Obwohl die Gesamtzahl der subatomaren Teilchen eines Atoms variiert, sind Atome normalerweise elektrisch ausgeglichen, mit einer gleichen Anzahl von Protonen und Elektronen. Dies bedeutet, dass Atome von Natur aus eine neutrale Ladung haben, die sich jedoch ändern kann, indem durch chemische und physikalische Prozesse Elektronen aufgenommen oder verloren werden. Wenn ein Elektron verloren geht, verschiebt sich das Gleichgewicht mit einem zusätzlichen Proton, wodurch das Atom eine positive Ladung erhält. Umgekehrt gilt für negativ geladene Atome, die ein Elektron gewonnen haben. Wenn das Teilchengleichgewicht gestört ist und entweder ein positives oder negatives Atom (oder Molekül) entsteht, werden sie nicht mehr Atome genannt. Stattdessen sind sie Ionen, wobei positive Kationen und negative Anionen genannt werden.
Ladung und Verhalten
Die Ladung, die ein Objekt hat, beeinflusst, wie es auf seine Umgebung reagiert. Kationen werden beispielsweise von Anionen angezogen, von anderen Kationen jedoch abgestoßen. Ebenso stoßen sich negativ geladene Atome gegenseitig ab. Dieses Verhalten wird als Coulombsches Gesetz bezeichnet.
Positive Atome ziehen neutrale nicht an oder stoßen sie ab, aber durch ein Phänomen namens elektrostatische Induktion kann eine Anziehung erzeugt werden. Dies geschieht, weil die Elektronen in einigen Molekülen dazu neigen, mobiler zu werden, wenn eine positive Ladung in der Nähe ist. Elektronen im neutralen Molekül können sich dann zur Quelle der positiven Ladung bewegen. Die Bewegung erzeugt eine negative Ladung am nächsten Punkt zur Quelle, obwohl das Molekül insgesamt unverändert bleibt. Dieses Phänomen tritt am häufigsten bei Metallen auf, wodurch eine elektrische Ladung durch sie fließen kann.
Alltagsanwendungen
Viele Alltagsgegenstände und -prozesse nutzen positive Ladungen. Wenn Wäsche zum Beispiel in einem Wäschetrockner taumelt, bewegen sich durch die Bewegung Elektronen von den Atomen auf der Oberfläche einiger Gegenstände auf andere, wodurch Kleidungsstücke unterschiedliche Ladungen erhalten. Dies führt zu einer statischen Anhaftung, da die nun positiv und negativ geladenen Partikel sich gegenseitig anziehen und die Kleidung zusammenkleben. Trocknertücher enthalten normalerweise Chemikalien mit einer positiven Ladung, die sich auf den Artikeln abfärben und dazu beitragen, die negativen wieder neutral zu machen.
Ein weiteres Beispiel ist der Laserdrucker, der Text und Bilder auf Papier druckt, indem er eine Reihe positiver und negativer Ladungen erzeugt. Wenn ein Druckauftrag beginnt, „schreibt“ der Laser, indem er negativ geladene statische Elektrizität auf einen Zylinder mit positiver Ladung überträgt. Toner, der ebenfalls positiv ist, wird dann auf den Zylinder aufgetragen und von den negativen Bereichen angezogen. Der Zylinder wird dann über ein Blatt negativ geladenes Papier gerollt und der Toner bindet sich daran.
Biologische Moleküle
Die Summe aller Atome und Ionen, die Teil eines biologischen Moleküls sind, wird als Nettoladung bezeichnet. Die meisten Moleküle sind insgesamt neutral, aber große Moleküle neigen dazu, einen oder mehrere diskrete Bereiche zu haben, die eine negative oder positive Ladung aufweisen. Diese Bereiche beeinflussen stark die Art und Weise, wie sich das Molekül faltet und wie es mit anderen Molekülen interagiert. DNA und RNA zum Beispiel sind beides Nukleinsäuren, verhalten sich jedoch teilweise sehr unterschiedlich, weil ihre Ladungen entlang ihrer Oberflächen unterschiedlich verteilt sind.
Wissenschaftliche Forschung benötigt oft Informationen über die Ladungen von Atomen und Molekülen, da sie das Verhalten biologisch aktiver Moleküle beeinflussen. Ein besonderer Bereich, in dem die Manipulation molekularer Ladungen sehr nützlich ist, ist das rationale Wirkstoffdesign. Forscher auf diesem Gebiet arbeiten an der Entwicklung wirksamerer Medikamente, in einigen Fällen durch Manipulation der Ladung eines potenziellen Medikaments, damit es effizienter mit seinem Ziel interagiert.