Atombau. Die Welt des ganz Kleinen

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1 Atombau Die Welt des ganz Kleinen

2 Modellvorstellungen als Verständnishilfen Stoffebene Teilchenebene Elemente sind Grundstoffe Stoffe können elektrisch geladen sein Elemente reagieren zu Verbindungen in bestimmten Mengenverhältnissen Atome sind Grundbausteine Atome bestehen aus geladenen Elementarteilchen Die Atome verbinden sich in bestimmten Zahlenverhältnissen

3 -500 DEMOKRIT: Atomos, das Atom gedacht als unteilbares Teilchen EPIKUR: Chem. Bindung ARISTOTELES: 4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft Jahre Kirchenvakuum : 322 v. Chr n. Chr. Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch übernommen, Ketzer hingerichtet GASSENDI, KEPLER, GALILEI DALTON: 1. und 2. Verbindungsgesetz AVOGADRO: Gase, Moleküle FARADAY: elektrische Natur der Atome RUTHERFORD: Treuversuche BOHR; PLANCK, HEISENBERG: Orbitaltheorie

4 Entwicklung der Atommodelle Atombegriff nach Demokrit (ca. 300 v. Chr.): Das Atom als philosophisch erdachtes unteilbares Teilchen. Atomtheorie der Neuzeit nach Dalton (ca.1805): Atome sind die kleinsten, unteilbaren Teilchen der Elemente. Kern-Hülle-Modell nach Rutherford (1900): Atome bestehen aus geladenen Elementarteilchen, der Atomkern ist nur 1/ des Atoms groß. Energiestufenmodell nach Bohr (ca. 1920): Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die nach ihrem Energiegehalt in Energiestufen eingeteilt werden können. Kugelwolkenmodell quantenmechanisches Orbitalmodell

5 Rutherford dringt ins Innere ein... Rutherford, Ernest, Lord of Nelson and Cambridge ( ), britischer Physiker, der für seine bahnbrechende Arbeit in der Kernphysik und für seine Theorie zur Atomstruktur den Nobelpreis erhielt. Anhand von Strahlungsuntersuchungen stellte Rutherford seine Theorie der Atomstruktur auf, in der das Atom erstmalig als dichter Kern mit ihn umkreisenden Elektronen beschrieben wurde.

6 Rutherfords Versuch Radioaktive Strahlen Radioaktives Präparat Goldfolie Leuchtschirm

7 Was wäre wenn...

8 Was wäre wenn...

9 Der Streuversuch von Rutherford Das Kern-Hülle-Modell: Atome bestehen aus einem winzigen, positiv geladenen Kern und einer riesigen, negativ geladenen Elektronenhülle.

10 Die Bedeutung von Kernteilchen Elemente unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Protonen. Neutronen spielen hierbei keine Rolle. Aufeinander folgende Elemente im PSE besitzen immer genau ein Proton mehr. Zu jedem Proton muss in der Schale ein Elektron existieren. Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Elementes.

11 Die Bedeutung von Kernteilchen Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt jedes Element auch Neutronen im Kern. Je Proton benötigt man mindestens ein Neutron, damit der Kern stabil ist. Bis zum Element 40 Ca gilt: je Proton genau ein Neutron, danach werden es mehr. Bsp.: U 238 Nu - 92 p = 146 n 146 n : 92 p = 1,6

12 Der Atomkern H He Li Be B C N O Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen! Legende: Protonen Neutronen

13 Isotope Isotop 12 3 Isotop 12 Isotop 12 3 Isotop 12 Isotop 12 3 H Li C N O Aufgabe: entdecke die Definition, was Isotope sind! % Nat. Vorkom men 1 H 99,9 2 H 0,015 3 H 6 Li 7,5 7 Li 92,5 12 C 98,9 13 C 1,1 14 N 99,6 15 N 0,4 16 O 99,7 17 O 0,1 18 O 0,2

14 Die Bedeutung von Kernteilchen Isotope unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Neutronen. Es gibt unterschiedliche Zahlen von natürlichen stabilen Isotopen. Viele Isotope sind instabil und zerfallen, indem sie radioaktive Strahlung abgeben. Bsp.: β-zerfall C N e -

15 Bohr gliedert die Hülle in Schalen... Niels Bohr ( ), dänischer Physiker und Nobelpreisträger, lieferte wichtige und grundlegende Beiträge zur Kernphysik sowie zum Verständnis des atomaren Aufbaus. Nach Bohr umlaufen die Elektronen den Kern in verschieden großen Bahnen. Diese nennt er Elektronenschalen und gibt ihnen den Namen K-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schale usw.

16 Die Atomhülle H He Li Be B C N O Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen!

17 Das Bohrsche Atommodell Elektron Atomkern Schale 1 (K) Verbotene Zone Schale 2 (L) Schale 2 (L)

18 Aufbau der Elektronenhülle 1. Elektronen kommen in Schalen um den Kern vor. 2. In die erste Schale passen zwei Elektronen, in die zweite mehr. 3. Die Zahl der passenden Elektronen erhält man: 2n 2, wobei n = Schalennummer n=1 2 Elektronen n=2 8 Elektronen n=3 18 Elektronen 4. Die Zahl der Protonen und Elektronen ist immer gleich. 5. Deshalb sind Atome immer neutral.

19 Die Elektronenhülle ist in Energiestufen aufgebaut Die Elektronen eines Atoms unterscheiden sich in der Entfernung zum Kern und ihrem Energiezustand. Die Elektronen befinden sich nach diesem Modell in bestimmten Energiestufen (nach Bohr nennt man diese auch Schalen ). Die Elektronen der äußersten Energiestufe heißen Außenelektronen, sie spielen für die Chemie die entscheidende Rolle! Die Elektronenanordnung lässt sich aus dem Periodensystem ablesen: Die Hauptgruppe entspricht der Zahl der Außenelektronen, die Periode entspricht der Zahl der Energiestufen.

20 Die Elemente unterscheiden sich durch die Masse ihrer Atome... MZ Massenzahl - 27 ( + ) Al Chem. Symbol für Aluminium = 14 OZ Ordnungszahl

21 und jedes Proton kann genau ein Elektron halten!

22 Wir bauen das Modell für Aluminium: enthält 27 Nukleonen 13 Al..davon sind 13 Protonen, die je 1 Elektron festhalten 14 Nukleonen sind also Neutronen K-Schale max. 2 e - L-Schale max. 8 e - M-Schale also noch 3 e - Diese Schale heisst auch Valenzschale

23 Edelgaskonfiguration? Na ja... Atome sind dann zufrieden, wenn sie ihre Valenzschale mit 8 Elektronen gefüllt haben. Dies erreichen sie, indem sie fehlende Elektronen stehlen oder überzählige abgeben. Die Valenzschale von Argon ist mit 8 e - voll!

24 Regel: 8 wäre schön... Atome haben das Bestreben, ihre äusserste Schale voll besetzt zu haben: K-Schale: 2 e - L-Schale: 8 e - M- Schale: 8 e - Sauerstoffatom Valenzschale: 6 e - Gemeinsame Benützung von je 2 e - Dies erreichen sie durch Bindungen!

25 Der Weg zum Kugelwolkenmodell Bsp.: ein Stickstoffatom N Schreibweisen: N Elektronenformel N Valenzstrichformel Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

26 Kugelwolkenmodelle der Atome 1. & 2. Periode Atomkerne Kugelwolken einfach besetzt Kugelwolken doppelt besetzt

27 1. Periode Kugelwolkenmodelle der Atome Verhältnisse der Atomradien korrekt 2. Periode 3. Periode 4. Periode Kugelwolken einfach besetzt Atomkerne doppelt besetzt äußere Begrenzung der Hülle

28 1. Periode H Kugelwolkenmodelle der Atome He 2. Periode Li Be B C N O F Ne 3. Periode Na S Cl Ar 4. Periode K Kugelwolken einfach besetzt Atomkerne doppelt besetzt äußere Begrenzung der Hülle Verhältnisse der Atomradien Zach Christian korrekt 2007

29 1. Periode H Kugelwolkenmodelle der Atome und Lewis-Formeln He 2. Periode Li Be B C N O F Ne 3. Periode Na S Cl Ar Atomkerne 4. Periode K Kugelwolken äußere Begrenzung der Hülle Lewis-Schreibweise einfach besetzt einfach besetzter Aufenthaltsraum doppelt besetzt doppelt besetzte Aufenthaltsräume Verhältnisse der Atomradien Zach Christian korrekt 2007

30 1. Periode Bauplan der Hauptgruppenelemente Lewis-Formeln 2. Periode 3. Periode Atomkerne 4. Periode Kugelwolken äußere Begrenzung der Hülle Lewis-Schreibweise einfach besetzt einfach besetzter Aufenthaltsraum doppelt besetzt doppelt besetzte Aufenthaltsräume Verhältnisse der Atomradien Zach Christian korrekt 2007

31 Bauplan der Hauptgruppenelemente Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Periode Periode einfach besetzter Aufenthaltsraum Periode doppelt besetzte Aufenthaltsräume äußere Begrenzung der Hülle Periode einfach besetzt doppelt besetzt

32 Vom Atom zum Molekül... Zwei Sauerstoffatome binden sich chemisch zu einem Molekül Sauerstoff. Beide Atome können so zeitweise 8 Elektronen benützen. Das Molekül ist der kleinste Teil einer Verbindung!

33 Der Weg zur chemischen Bindung Bsp.: Methan CH 4 Atomkern Atomrumpf Elektron

34 Der Weg zur chemischen Bindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

35 Zur Schreibweise Bsp.: Ammoniak NH 3 H H N H Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt Valenzstrichformel

36 Die Doppelbindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

37 Die Doppelbindung C C Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

38 Die Dreifachbindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

39 Die Dreifachbindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

40 Die Dreifachbindung C C Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

41 Edelgaszustand (Oktettregel) Die Edelgase sind reaktionsträge, also chemisch stabil, weil sie keinen Bedarf an zusätzlichen Elektronen haben. Sie haben eine volle äußere Energiestufe. Dieser Edelgaszustand der Elektronenhülle (Edelgaskonfiguration) wird von allen Atomen angestrebt. In der jeweils äußersten Energiestufe finden zunächst acht Elektronen Platz. (Ausnahme Helium: zwei).

42 Die EN im Periodensystem Fluor hat die höchste EN. Es folgen Sauerstoff, Stickstoff und Chlor. Allgemein nimmt die EN im PSE von links unten nach rechts oben zu (Ausnahme: Edelmetalle)

43 Ionisierungsenergien Die äußeren Elektronen werden unterschiedlich stark festgehalten Ionisierungsenergien der ersten 21 Elemente (in MeV) hohe Ionisierungsenergien bei den Edelgasen Niedriege IE bei den Alkalimetallen (I. Hauptgruppe) IE nimmt von links nach rechts zu

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