Chemie Technische BerufsmaturitÄt BMS AGS Basel

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1 A Atome Entwicklung der Atomlehre Nach Demokrit sind alle Stoffe aus kleinsten, unteilbaren Teilchen, den Atomen, aufgebaut, die alle aus derselben Urmaterie bestehen und sich in Gestalt und GrÅsse unterscheiden. Im Mittelalter fand diese Theorie wenig Anklang (Elementenlehre). Dalton verknçpfte sie dann mit dem Begriff des Elements: Ein Element besteht aus gleichartigen, unteilbaren Atomen. Die Atome verschiedener Elemente haben unterschiedliche Eigenschaften und Massen und verbinden sich in bestimmten MassenverhÄltnissen zu Verbindungen. Heute weiss man, dass auch die Atome nicht unteilbar sind. Beim Zerfall von Atomen entstehen neue Elemente. Diese VorgÄnge werden nicht in der Chemie beschrieben. In der Chemie gilt das Gesetz der UnzerstÅrbarkeit der Elemente. relative Masse Ein Kohlenstoffatom hat eine absolute Masse von etwa 2É10-23 g. Damit der Umgang mit so kleinen Massen besser handhabbar ist, hat man eine auf die Masse eines Kohlenstoffatoms bezogene Masseinheit definiert: Die relative Masse M r gibt die Masse eines Teilchens (Atoms) in der Masseneinheit 1 u an. 1 u entspricht 1 / 12 der Masse des häufigsten Kohlenstoffatoms Stoffmenge Die Stoffmenge n beschreibt die Menge der in einer Probe enthaltenen Teilchen. 1 Mol Ein Mol entspricht der Stoffmenge von 12 g Kohlenstoff. Avogadrokonstante Die Avogadrokonstante ist die Teilchenzahl der Stoffmenge 1 Mol: N A = 6,02É10 23 /mol Molare Masse Die Molare Masse M ist die Masse der Stoffmenge 1 Mol des Stoffes in g/mol. Sie entspricht der relativen Masse M r in g. Atombau und PSE 12 RRi

2 Elementsymbole Das Elementsymbol dient zur AbkÇrzung des Elementnamens, bedeutet aber auch 1 Atom oder die Stoffmenge 1mol des betreffenden Elements. Substanzformeln Die Substanzformel einer Verbindung gibt das AtomzahlenverhÄltnis der beteiligten Elemente und damit auch ihr MassenverhÄltnis an. Beispiel SO 3 : AtomzahlenverhÄltnis S : O = 1 : 3 MassenverhÄltnis S : O = 32 g : 48 g = 2 : 3 1. Was bedeutet das Wort Atom? 2. Worin unterscheiden sich die Atomlehren von Demokrit und Dalton? 3. a) Wie viele u und wie viele g wiegt ein Kupferatom (Cu)? b) Aus wie vielen Atomen bestehen 100 g Kupfer? c) Welche Masse hat 1 mol Kupferatome? d) Welche Masse in u und in mg haben Kupferatome? 4. a) Geben Sie Ihre eigene Masse in der atomaren Masseneinheit 1 u an! b) Wie vielen Kohlenstoffatomen entspricht diese Masse? 5. Welche Bedeutungen hat das Elementsymbol H qualitativ und quantitativ? 6. In welchem AtomzahlenverhÄltnis und in welchem MassenverhÄltnis liegen die Elemente Phosphor und Sauerstoff in der Verbindung P 2 O 5 vor? 7. Bei der Verbrennung von 3,47 g Aluminium entstehen 6,56 g Aluminiumoxid. Wie lautet die Substanzformel von Aluminiumoxid? 8. In einer Verbindung, die aus Kohlenstoff C, Wasserstoff H und Sauerstoff O besteht, wurden 52,2 % C und 13,0 % H ermittelt. Welche Substanzformel hat die Verbindung? B Atombau Kern - HÄlle - Modell Das Atom besteht aus einem sehr kleinen, schweren, positiv geladenen Kern und einer fast masselosen, sehr grossen, gleichstark negativ geladenen HÇlle. Atomkerne werden auch als Nuklide bezeichnet. Atombau und PSE 13 RRi

3 GrÅssen- und MassenverhÇltnisse Masse GrÅsse Ladung Kern HÇlle Elementarteilchen Symbol Aufenthaltsort Masse in u Ladung in e Proton p + Kern 1 +1 Neutron n 0 Kern 1 0 Elektron e - HÇlle 0, Zusammensetzung von Atomen Ordnungszahl Sie entspricht der Anzahl Protonen im Kern und bestimmt die Elementsorte und deren Stellung im Periodensystem. Massenzahl Sie entspricht der Anzahl Kernteilchen (p + + n 0 ). Neutronenzahl Sie ergibt sich als Differenz aus der Massenzahl und der Ordnungszahl. Elektronenzahl Sie entspricht im neutralen Atom der Anzahl Protonen. Isotopenschreibweise Beispiele: Massenzahl Ordnungszahl Elementsymbol p + n 0 e - p + n 0 e Atombau und PSE 14 RRi

4 Isotopen Isotopen sind Atomkerne gleicher Ordnungszahl (gleiches Element), aber verschiedener Massenzahl. Die relative Atommasse eines Elementes ergibt sich als Durchschnittswert Çber das natçrliche Isotopengemisch und ist in den meisten Periodensystemen angegeben. 1. Geben Sie ein anschauliches Beispiel an fçr den GrÅssenvergleich von HÇlle und Kern! 2. Vergleichen Sie Kern und HÇlle bezçglich Masse und Ladung! 3. Unterscheiden Sie die Begriffe Atommasse und Massenzahl! 4. a) Geben Sie die Isotopenschreibweise fçr ein Nuklid an, das 82 Protonen und 125 Neutronen enthält! b) Geben Sie dazu ein Isotop an! Gegeben sind die folgenden Atome: 17Cl ; 18Ar ; 20Ca ; 17Cl a) Welche Atome sind zueinander Isotopen? b) Welche Atome haben die gleiche Neutronenzahl? c) Welche Atome haben die gleiche Anzahl Kernteilchen? 6. Suchen Sie in der Literatur Beispiele von natçrlichen Isotopengemischen! RadioaktivitÇt Atomkerne sind nur innerhalb eines bestimmten VerhÄltnisses von Neutronen und Protonen stabil. Ebenso sind Kerne mit einer Masse von Çber cà. 250 u oder energetisch angeregte Kerne nicht beständig. Sie zerfallen unter Aussendung von Energie in Form von schnellen Teilchen oder elektromagnetischer Strahlung, sie sind radioaktiv. Beim radioaktiven Zerfall entstehen neue, unter UmstÄnden wiederum radioaktive Stoffe. Der radioaktive Zerfall läuft von selbst ab und lässt sich nicht stoppen. Er ist unabhängig von Druck, Temperatur und chemischer Umgebung! Kennzeichnende GrÅssen fçr den radioaktiven Zerfall eines Nuklids sind die AktivitÇt A und die Halbwertzeit T. Die AktivitÄt A ist das VerhÄltnis aus der Anzahl ZerfÄlle eines PrÄparates und der Zeit. Masseinheit: 1 Bq (Becquerel) = 1 Zerfall/s Die AktivitÄt einer Substanz nimmt mit der Zeit exponentiell ab. Die Halbwertzeit T gibt an, in welcher Zeit sich die AnfangsaktivitÄt auf 50% verringert hat. Atombau und PSE 15 RRi

5 Die Halbwertzeit ist ein statistischer Wert Çber eine sehr grosse Anzahl von Kernen. Vom einzelnen Kern kann man nicht sagen, ob er sofort oder erst nach unabsehbarer Zeit zerfällt. 1 A 1 / 2 1 / 4 1 / 8 T 2T 3T t Beispiele von radioaktiven Atomkernen mit ihren Halbwertzeiten: 137 Cs T = 30 a 24 Na T = 15 h 131 I T = 8,1 d 214 Po T = 0,15 ms Radioaktive Strahlung Die im Zusammenhang mit radioaktiven ZerfÄllen ausgesendeten, energiereichen Teilchen oder elektromagnetischen Wellen nennt man radioaktive Strahlung. Von den heute bekannten Strahlungsarten sind die -, die - und die -Strahlung von Bedeutung. Alpha-Strahlung âberschwere Kerne senden beim -Zerfall sog. -Teilchen aus. Das sind zweifach positiv geladene Heliumkerne. Ihre Geschwindigkeit ist etwa 10 4 km/s. Wegen ihrer verhältnismässig grossen Masse haben sie eine grosse Energie. Als energiereiche, geladene Teilchen besitzen sie eine starke ionisierende Wirkung aber nur eine kleine Reichweite (in Luft cà. 1,6 cm). Beta-Strahlung Kerne mit NeutronenÇberschuss wandeln Neutronen unter Aussendung eines Elektrons in Protonen um: - -Strahlung. Kerne mit Neutronenmangel wandeln Protonen unter Aussendung eines Positrons (ein mit dem Elektron vergleichbares Teilchen mit positiver Ladung) in Neutronen um: + -Strahlung. Ein -Teilchen verlässt den Kern mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Mit seiner viel kleineren Masse ergibt sich aber nur ein etwa halb so grosser Energieinhalt gegençber der - Strahlung. Damit hat ein -Teilchen eine weniger stark ionisierende Wirkung, dafçr aber eine gråssere Reichweite. Gamma-Strahlung Befindet sich ein Kern in angeregtem Zustand (erhåhter Energieinhalt aus einem Stoss oder als Restenergie eines frçheren Zerfalls), so kann er durch Aussendung einer elektromagnetischen Welle ( -Strahlung) in einen tieferen Energiezustand Çbergehen. Die -Strahlung tritt deshalb vorwiegend als Begleitstrahlung auf. Atombau und PSE 16 RRi

6 Sie hat eine WellenlÄnge im Bereich von 1 pm und eine nochmals um etwa die HÄlfte kleinere Energie als die Betastrahlung. Sie gehårt aber zu den energiereichsten elektromagnetischen Wellen, die es gibt. Als masselose und ungeladene Welle hat sie nur eine kleine ionisierende Wirkung, aber eine umso gråssere Reichweite. Beim Durchgang durch Materie kann sie jedoch zu angeregten Kernen und damit zu weiteren Zerfallsreaktionen mit entsprechender Strahlung fçhren. 1. In welchem Bereich liegt etwa das Neutronen-Protonen-VerhÄltnis stabiler Nuklide? 2. Welchen Teil der AnfangsaktivitÄt hat eine Probe einer radioaktiven Substanz mit einer Halbwertzeit von 16 h nach 2 Tagen noch? 3. In welchem Zeitraum sinkt die AktivitÄt einer Probe von 234 Th auf etwa 1 % der AnfangsaktivitÄt? 4. Welche der Strahlungsarten ist die gefährlichste? 5. In der Sonne findet u.a. die Kernfusion von Deuterium 2 H und Tritium 3 H zu 4 He statt. Notieren Sie die Reaktionsgleichung in der Isotopenschreibweise! Schalenmodell der HÄlle Die Elektronen bewegen sich in der HÇlle entsprechend ihrem Energieinhalt in einem bestimmten Abstand um den Kern. Elektronen mit annähernd gleichem Energieinhalt (Kernabstand) werden in Schalen zusammengefasst. Es gibt sieben, von K bis Q bezeichnete oder mit der Schalennummer n von 1 bis 7 durchnummerierte Schalen, die nach aussen hin zunehmend vielen Elektronen Platz bieten: Anzahl e - = 2 É n 2 Beispiele: H O S Orbitalmodell der HÄlle Die modernen quanten- und wellenmechanischen Modellvorstellungen gehen davon aus, dass man fçr Elektronen nicht genaue Umlaufbahnen angeben kann. Man ordnet ihnen RÄume zu, in denen sie sich mit einer entsprechenden Wahrscheinlichkeit aufhalten kånnen, sog. Ladungswolken oder Orbitale. Sie bieten jeweils Platz fçr zwei Elektronen mit entgegengesetzt gerichtetem Drehsinn. Atombau und PSE 17 RRi

7 Schalen Orbitale mit vergleichbarem Durchmesser (Ähnlichem Energieinhalt) gehåren zu einer Schale. NebenzustÇnde, Unterschalen Orbitale innerhalb einer Schale kånnen verschiedene räumliche Formen aufweisen. Diese bezeichnet man als NebenzustÄnde. Je gråsser die Schale, umso mehr NebenzustÄnde hat sie und je håher der Nebenzustand, umso mehr Orbitale gehåren dazu (verschiedene räumliche Ausrichtungen). Schale s-orbitale p-orbitale d-orbitale f-orbitale K 1 L 1 3 M N und håher Energiestufenschema Der Energieinhalt eines Elektrons in der HÇlle steigt mit der Schalennummer und innerhalb einer Schale mit dem Nebenzustand. Dies fçhrt dazu, dass sich die EnergiebÄnder der einzelnen Schalen Çberlappen kånnen. Atombau und PSE 18 RRi

8 Elektronenkonfiguration Die Einordnung der Elektronen in die Orbitale erfolgt so, dass jedes neu hinzukommende Elektron das niedrigste noch freie Energieniveau einnimmt. Von den Orbitalen eines gleichen Nebenzustandes erhält zunächst jedes Orbital nur ein Elektron, bevor mit der vollen Besetzung mit zwei Elektronen begonnen wird. Beispiele (in der Kurzschreibweise): 17Cl: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 79Au:1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 9 Es ergeben sich folgende GesetzmÇssigkeiten: Die letzte Schale hat nie mehr als 8 Elektronen (s und p). d-elektronen werden in der zweitletzten Schale aufgefçllt. f-elektronen werden in der drittletzten Schale aufgefçllt. 1. Zeichnen Sie die Schalenmodelle von 12 Mg und 17 Cl! 2. ErklÄren Sie die Begriffe Orbital, Schale, Nebenzustand! 3. Gegeben ist das Atom Ag. Wie sind die Elektronen auf die Schalen und NebenzustÄnde verteilt (Kurzschreibweise)? 4. a) Wie viele Elektronen hat Eisen auf der Äussersten Schale? b) Wie viele Elektronen hat Iod auf der zweitäussersten Schale? C Periodensystem Grundidee Anordnung der Elemente entsprechend ihren Eigenschaften. Die Elemente sind nach steigender Ordnungszahl angeordnet. Nach jedem Edelgas beginnt eine neue Zeile (Perioden K-Q). Elemente mit Ähnlichen Eigenschaften stehen untereinander. Zusammenhang mit dem Aufbau der ElektronenhÄlle Perioden Die Elemente einer Periode haben gleich viele Schalen. Die Periodennummer bezeichnet die Äusserste Schale. Atombau und PSE 19 RRi

9 Hauptgruppen Hauptgruppenelemente haben ihre energiereichsten Elektronen in den s- und p-orbitalen der Äussersten Schale. Die Elemente einer Hauptgruppe haben, der Gruppennummer entsprechend, gleich viele Elektronen auf der Äussersten Schale. Nebengruppen Nebengruppenelemente haben ihre energiereichsten Elektronen in den d- und f-orbitalen der zweit- resp. drittäussersten Schale. Auf der Äussersten Schale haben alle zwei s- Elektronen. In einer Gruppe haben sie gleich viele d-elektronen auf der zweitäussersten resp. f-elektronen in der drittäussersten Schale. Valenzelektronen Unter den Valenzelektronen versteht man die Elektronen, die zur Bindungsbildung eingesetzt werden kånnen. Sie bestimmen somit das chemische Verhalten des Elementes. Die Valenzelektronenzahl der Hauptgruppenelemente entspricht der Hauptgruppennummer. Elektronenschreibweise (Lewisformel) Die Valenzelektronen werden als Punkte (einfach besetzte Orbitale) oder als Striche (doppelt besetzte Orbitale) um das Elementsymbol angeordnet. Beispiele: Calcium Ca Kohlenstoff C Schwefel S Brom Br 1. Worin liegt die Bedeutung des Periodensystems fçr die Chemie? 2. Wie viele Valenzelektronen hat Stickstoff N? Zeichnen Sie die Elektronenstrichformel! 3. Wie viele Schalen hat Uran U? Welche sind vollständig gefçllt? 4. Warum gibt es nur 8 Hauptgruppen? 5. Welche Gemeinsamkeiten haben die Nebengruppenmetalle im Aufbau der HÇlle? 6. Warum steht Wasserstoff H in der ersten Hauptgruppe, ist aber kein Alkalimetall? Atombau und PSE 20 RRi