Thema heute: Aufbau der Materie, Atommodelle Teil 2

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1 Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde: Atomistischer Aufbau der Materie, historische Entwicklung des Atombegriffes Atome Thema heute: Aufbau der Materie, Atommodelle Teil 2 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 30

2 Der Atomaufbau Ladung eines Teilchens: Anzahl Protonen Anzahl Elektronen; Beispiel: Atom mit 6 Protonen: Kernladungszahl = Neutronen Nukleonenzahl = 2 (Massenzahl) Zahl der Elektronen = Zahl der Protonen = 6 Symbole für die einzelnen Atomsorten p = 6 Symbol C Element Kohlenstoff, Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 3

3 Unterschiedliche Nuklide sind möglich, wenn bei gleicher Ordnungszahl (gleiches Element!) eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen vorhanden ist. Massenzahl 2 6 C Kohlenstoff-2 Ordnungszahl Symbol Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 32

4 Nukleonenzahl Elementsymbol Protonenzahl Anzahl Neutronen: Nukleonenzahl Protonenzahl H H 2 H 3 Wasserstoff Deuterium Tritium (radioaktiv) Isotope: Nuklide (Atomkerne) mit gleicher Protonenzahl (= Elemente) aber verschiedener Neutronenzahl (und damit unterschiedlicher Nukleonenzahl). Insgesamt existieren ca. 340 natürlich vorkommende Nuklide, 270 sind stabil, 70 radioaktiv. Es existieren 92 natürlich vorkommende Elemente Die meisten Elemente sind Mischelemente Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 33

5 Teilchen Symbol Masse Ladung Neutron n u;, kg neutral Proton p+ u;, kg +,6 0-9 C Elektron e - 0,00055 u; 0, kg -,6 0-9 C Die atomare Masseneinheit u ist definiert als der Masse eines Atoms des Kohlenstoffnuklids 2 2 C 2 C 2u u =, kg 6 cm 3 Materie ~ 0 23 Atome Protonenzahl = Kernladungszahl Protonenzahl = Elektronenzahl Nukleonenzahl =Protonenzahl + Neutronenzahl Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 34

6 8 bekannte Elemente: lückenlose Folge der Protonenzahl bis 8. (= Ordnungszahl) Mischelemente: Mischungen aus verschiedenen Isotopen Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 35

7 Schematische Skizze eines Massenspektrometers Experimenteller Nachweis von Isotopen: Massenspektroskopie: Isotope unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen und damit in der Masse. Gasteilchen Ionisation: Ablenkung durch ein elektrisches und ein magnetisches Feld. Ablenkung ist abhängig von dem Quotienten aus Ladung und Masse Trennung nach Masse Genauigkeit ~ 0-6 u Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 36

8 Schematische Skizze eines Massenspektrometers Experimenteller Nachweis von Isotopen: Massenspektroskopie: Isotope unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen und damit in der Masse. Gasteilchen Ionisation: Ablenkung durch ein elektrisches und ein magnetisches Feld. Ablenkung ist abhängig von dem Quotienten aus Ladung und Masse Trennung nach Masse Genauigkeit ~ 0-6 u Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 37

9 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 38

10 Vergleich der Massen von Atomen mit der Summe der Massen der Protonen und Neutronen: 4 He = 4,0026 u 2 p + 2 n 4,039 u 4 He um 0,0293 u leichter! Die Masse eines Nuklids (bei Nukliden mit Ordnungszahlen kleiner der des Eisens) ist kleiner als die Summe der Masse seiner Bausteine. Einstein: E = m c 2 c: Lichtgeschwindigkeit ~ m/s Masse-Energie-Äquivalenz Gesetz von der Äquivalenz von Masse und Energie! Kernbindungsenergie 4,0026 g 4 He Massendifferenz 0,03 g E ~ 2,7 0 2 J (Tera-Joule) chemische Reaktion: ~ kj ~ 0 6 J Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 39

11 Kernfusion: 2 0 (Kernverschmelzungen) (Tritium) ( ev =,6 0-9 J) kg He 200 Millionen kwh Energie! D + T He + n + 7, 6MeV Aber: Kernfusion funktioniert ab einer Temperatur von ca. 0 6 Kelvin! Temperaturskala Bewegungsenergie + Schwingungsenergie bei T = 0 K (Kelvin) keine Bewegungs- und Schwingungsenergie der Teilchen K = C + 273,5 Bei Kernreaktionen wird Masse in Energie (und umgekehrt) umgewandelt; es werden Atomkerne verändert. Dabei spielt die Elektronenhülle keine Rolle. Der Energieumsatz ist ca. 0 6 mal größer als bei chemischen Reaktionen. Dabei treten messbare Masseveränderungen auf. Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 40

12 Kernfusion in Sternen. Wasserstoffbrennen D + T 2 He + 0 n Dauer je nach Sternenmasse 0 7 bis 0 0 Jahre Unsere Sonne: g Wasserstoff/s kj, (7 0 8 t) 2. Heliumbrennen bei 0 8 K zu 2 6 C, 6 8 O, 20 0 Ne Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 4

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