Text 1 Expertengruppe C: Die Atomhülle

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1 Text 1 Expertengruppe C: Die Atomhülle Aus den Streuversuchen von Ernest Rutherford weiß man, dass die Atome aus einem ern und einer Hülle bestehen. Der ern ist extrem klein und positiv geladen. In ihm konzentriert sich nahezu die gesamte Masse des Atoms in Form von Neutronen und den positiv geladenen Protonen. Die Zusammensetzung des erns ergab sich aus den Untersuchungen der Radioaktivität, die beim Zerfall großer Atomkerne freigesetzt wird. Die Atomhülle muss die gesamte negative adung enthalten, die das Atom zum Ausgleich der positiven ernladung benötigt. Die Träger dieser negativen adungen sind außerdem sehr leicht und lassen sich schon durch bloße Reibung vom Atom lösen. Da dies besonders gut mit Bernstein (und atzenfell) funktioniert, nennt man diese Teilchen Elektronen nach dem griechischen Namen für Bernstein. Diese Farben angeregter Atome in Flammen oder Gasentladungsröhren (ähnlich den heutigen euchtstoffröhren) waren gegen Ende des 19. Jahrhunderts bereits sehr genau untersucht worden. Jedes Atom hat eine typische Flammenfarbe. Mit einem Prisma kann man diese Farben in einzelne omponenten zerlegen und erhält für jedes Atom ein typisches Spektrum von Einzelfarben ähnlich einem Fingerabdruck. Man hatte sogar eine Formel aufgestellt, mit der sich die Farben bzw. stufen des ausgesandten ichtes sehr genau vorhersagen ließen. Aber niemand konnte erklären, warum diese Rydberg-Formel funktionierte. Dem jungen dänischen Physiker Niels Bohr gelang diese Erklärung im Jahr 1913 durch die ombination der Atommodelle von Ernest Rutherford (in dessen Arbeitsgruppe an der Universität Manchester er zuvor einige Zeit gearbeitet hatte) mit der Quantentheorie von Max Planck in Berlin. Im gleichen Jahr gewann er die dänische Fußballmeisterschaft im Tor seines Clubs AB Gladsaxe. Den Nobelpreis erhielt Nils Bohr dann im Jahre Die Elektronen bewegen sich auf festen Schalen um den ern. 2. Jede Schale entspricht einer bestimmten. 3. Die der Schalen nimmt nach außen hin zu. 4. Die n-te Schale von innen kann genau 2n 2 Elektronen aufnehmen. Für die ontaktfreudigkeit und Bindungsfähigkeit eines Atoms (kurz: für sein chemische Verhalten) sind die Elektronen in der äußersten Schale entscheidend. Atome mit gleich vielen Außenelektronen verhalten sich chemisch ähnlich und werden im oben teilweise abgebildeten Periodensystem untereinander angeordnet. Am auffälligsten ist diese Verwandschaft bei den Edelgasen ganz rechts. Sie haben eine vollständig besetzte Außenschale, die offenbar besonders stabil ist, denn Sie gehen so gut wie keine Verbindungen mit anderen Atomen ein. Alle anderen Atome versuchen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen diese besonders stabile Achterschale zu erreichen. Mit dieser Edelgas- oder Oktettregel lassen sich fast alle chemischen Reaktionen erklären. Für größere Atome musste das Bohr-Modell bald um zusätzliche stufen erweitert werden und die Schalen haben sich sich eher als wolkige Aufenthaltsbereiche (Orbitale) mit verschiedensten Formen und Größen erwiesen, aber für große Teile der Chemie ist das Bohr-Modell des Atoms nach wie vor eine völlig ausreichende Erklärungsgrundlage. 1

2 Text 2 Expertengruppe C: inienspektren Die spektrale Zerlegung und das Wellenmodell des ichtes Die Zerlegung des ichtes in seine einzelnen Farben durch ein Prisma oder ein Gitter lässt sich mit dem Wellenmodell erklären: Man beschreibt icht als elektromagnetische Welle ähnlich wie Radiowellen oder Röntgenstrahlen. Die einer elektromagnetischen Welle nimmt mit sinkender Wellenlänge zu. Aus diesem Grund ist elektromagnetische Strahlung umso gefährlicher, je kürzerwellig die Strahlung ist! Radiowellen < Infrarot (IR) < rot < gelb < grün< blau < violett < Ultraviolett (UV) < Röntgenstrahlen < - Strahlen langwellig energiearm kurzwellig energiereich Die inienspektren der Elemente Durchführung: Der Dampf reiner Elemente wird in einem Glaskolben erhitzt. Das dabei entstehende icht wird durch ein Prisma in seine einzelnen Farben bzw. Wellenlängen zerlegt und auf einem dunklen Schirm sichtbar gemacht. Je kürzer die Wellenlänge, desto stärker ist die Ablenkung. Beobachtung: Der Dampf sendet icht ganz bestimmter Wellenlänge (bzw. bzw. Farbe) aus, wenn man ihm genügend in Form von Hitze zuführt. Die spektrale Zerlegung des ausgesendeten ichtes durch das Prisma ergibt ein für jedes Element charakteristisches inienspektrum. Das einfachste inienspektrum erhält man vom Wasserstoff. Erklärung: Durch zufuhr (Funken oder Hitze) wird ein Elektron auf eine höher liegende Schale angehoben. Beim Zurückfallen sendet es icht aus, dessen (bzw. Farbe bzw. Wellenlänge) gerade der differenz der beiden Schalen entspricht. Da die Elektronen auch mehrere Schalen überspringen können, gibt es verschiedene Übergangsmöglichkeiten, die jeweils einer inie im Spektrum entsprechen. inienspektrum (Farbe) n = (ontinuumsgrenze) n = 2 (-Schale) n = 1 (-Schale) Zufuhr von in Form von Wärme -Schale -Schale Abgabe von in Form von icht -Schale -Schale ern 2

3 Text 3 Expertengruppe C: Ionisierungsenergien Ionisierungsenergien Die Ionisierungsenergie ist die, die notwendig ist, um ein Elektron von der äußersten Schale aus ganz aus der Atomhülle zu entfernen. Die Ionisierungsenergie ist also gerade der energetische Abstand der äußersten besetzten Schale zur ontinuumsgrenze, z.b. beim Na: Ionisierungsenergie n = (ontinuumsgrenze) n = 2 (-Schale) n = 1 (-Schale) ern Verlauf der Ionisierungsenergie und Grenzen des Bohrschen Modells Ionisierungsenergien in kj/mol Erklärung mit dem Schalenmodell Anstieg H-He: wachsende ernladung, höhere Anziehung Abfall He-i: neue Schale, die weiter vom ern entfernt ist; Abschirmung der ernladung durch die darunter liegende -Schale Anstieg i-ne: wachsende ernladung Abfall Ne-Na: neue Schale Anstieg Na-Ar: wachsende ernladung Abfall Ar-: neue Schale?! 3

4 Arbeitsblatt Expertengruppe C: Der Aufbau der Atomhülle Aufgabe 1 Reibe den aufgeblasenen uftballon mit einem Wolllappen oder einem trockenen leidungsstück ab und bringe ihn in die Nähe von kleinen Papierschnipseln, Styroporteilchen oder auch deinen Haaren, sofern sie lang, dünn und trocken sind. Durch die Reibung werden negativ geladene Elektronen von dem Stoff abgerissen und auf den Ballon übertragen. Der negativ geladene Ballon drängt die Elektronen im Papierschnipsel von sich weg und zieht die näher liegenden positiv geladenen Atomkerne an sich. Die Anziehung der näher liegenden positiven Atomkerne ist stärker als die Abstoßung der weiter entfernten Elektronen: Der Papierschnipsel wird daher angezogen. In welchem Bereich eines Atoms vermutest du die Elektronen, wenn sie sich so leicht verschieben und entfernen lassen? Eher innen oder eher außen? Aufgabe 2 ies den Text 1 zur Atomhülle und beantworte die folgenden Fragen: a) Aus welchen Teilchen besteht die Atomhülle und wie sind diese Teilchen angeordnet? b) Skizziere den Aufbau der Hülle eines aliumatoms mit 19 Elektronen in das rechts stehende ästchen: c) Was besagt die Oktettregel? Aufgabe 3 a) Zeichne jeweils ein Schalenmodell der folgenden Atome: Neon (10 Elektronen) Silicium (14 Elektronen) Bor (5 Elektronen) b) Vervollständige die Tabelle auf der Rückseite: 4

5 Name Gesamtzahl der Elektronen im Elektronen im Elektronen im Elektronen im Elektronen 1. Niveau 2. Niveau 3. Niveau 4. Niveau Wasserstoff 1 Natrium 11 Sauerstoff 8 Schwefel 16 Stickstoff Argon 8 0 Calcium 2 Aufgabe 4 a) ies den Text 2 zu den inienspektren und färbe die sichtbaren Bereiche des Spektrums auf S. 2 in der ersten Abbildung in den angegebenen Farben. b) Färbe nun auch die einzelnen Strahlen hinter dem Prisma in der zweiten Abbildung auf S. 2 passend ein. Beachte: Je kürzer die Wellenlänge, desto stärker die Ablenkung. c) Färbe die vier Übergänge auf der Abbildung rechts unten auf S. 2 in den Farben gelb, rot, grün und blau in der passenden Reihenfolge. d) Zeichne in das nebenstehende Schema die Elektronenkonfiguration für das Element ithium 3i und drei beliebige Übergänge ein. Nehmen wir an, dass diese Übergänge die Farben Rot, Orange und Gelb erzeugen. Ordne diese Farben deinen Übergängen zu und färbe sie entsprechend ein. (Farbe) n = (ontinuumsgrenze) n = 2 (-Schale) n = 1 (-Schale) ern Aufgabe 5 ies den Text 3 zu den Ionisierungsenergien und beantworte die folgenden Fragen: a) Was versteht man unter der Ionisierungsenergie? b) Warum hat Helium 2 He eine viel größere Ionisierungsenergie als Wassersoff 1 H? c) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 2 He zu ithium 3 i stark ab? d) Warum nimmt die Ionisierungsenergie von 3 i zu Neon 10 Ne wieder allmählich zu? e) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 10 Ne zu Natrium 11 Na plötzlich ab? f) Warum nimmt die Ionisierungsenergie von 10 Na zu Neon 18 Ar wieder langsam zu? g) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 18 Ar zu alium 19 plötzlich ab? h) Wie könnte man sich die kleinen Sprünge z.b. von Beryllium 4 Be nach Bor 5 B erklären? 5

6 ösungen zum Arbeitsblatt Expertengruppe C: Der Aufbau der Atomhülle Aufgabe 1 Reibe den aufgeblasenen uftballon mit einem Wolllappen oder einem trockenen leidungsstück ab und bringe ihn in die Nähe von kleinen Papierschnipseln, Styroporteilchen oder auch deinen Haaren, sofern sie lang, dünn und trocken sind. Durch die Reibung werden negativ geladene Elektronen von dem Stoff abgerissen und auf den Ballon übertragen. Der negativ geladene Ballon drängt die Elektronen im Papierschnipsel von sich weg und zieht die näher liegenden positiv geladenen Atomkerne an sich. Die Anziehung der näher liegenden positiven Atomkerne ist stärker als die Abstoßung der weiter entfernten Elektronen: Der Papierschnipsel wird daher angezogen. In welchem Bereich eines Atoms vermutest du die Elektronen, wenn sie sich so leicht verschieben und entfernen lassen? Eher innen oder eher außen? Eher außen Aufgabe 2 ies den Text 1 zur Atomhülle und beantworte die folgenden Fragen: a) Aus welchen Teilchen besteht die Atomhülle und wie sind diese Teilchen angeordnet? Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die auf Stufen (oder Schalen) mit von innen nach außen wachsender und immer kleinerem Abstand angeordnet sind. Die n-te Stufe von innen kann 2n 2 Elektronen aufnehmen. b) Skizziere den Aufbau der Hülle eines aliumatoms mit 19 Elektronen in das rechts stehende ästchen: c) Was besagt die Oktettregel? Die Edelgase mit einer achtfach bzw. bei Helium zweifach besetzten Außenschale sind besonders stabil und gehen kaum Verbindungen mit anderen Atomen ein. Die anderen Atome versuchen durch Aufnahme oder Abgabe ebenfalls diese Edelgaskonfiguration zu erreichen. M Aufgabe 3 a) Zeichne jeweils ein Schalenmodell der folgenden Atome: Neon (10 Elektronen) Silicium (14 Elektronen) Bor (5 Elektronen) M b) Vervollständige die Tabelle: 6

7 Name Gesamtzahl der Elektronen im Elektronen im Elektronen im Elektronen im Elektronen 1. Niveau 2. Niveau 3. Niveau 4. Niveau Wasserstoff Natrium Sauerstoff Schwefel Stickstoff Argon Calcium Aufgabe 4 a) ies den Text 2 zu den inienspektren und färbe die sichtbaren Bereiche des Spektrums auf S. 2 in der ersten Abbildung in den angegebenen Farben. b) Färbe nun auch die einzelnen Strahlen hinter dem Prisma in der zweiten Abbildung auf S. 2 passend ein. Beachte: Je kürzer die Wellenlänge, desto stärker die Ablenkung. c) Färbe die vier Übergänge auf der Abbildung rechts unten auf S. 2 in den Farben gelb, rot, grün und blau in der passenden Reihenfolge. d) Zeichne in das nebenstehende Schema die Elektronenkonfiguration für das Element ithium 3i und drei beliebige Übergänge ein. Nehmen wir an, dass diese Übergänge die Farben Rot, Orange und Gelb erzeugen. Ordne diese Farben deinen Übergängen zu und färbe sie entsprechend ein. Rot Orange Gelb (Farbe) n = (ontinuumsgrenze) n = 2 (-Schale) n = 1 (-Schale) ern Aufgabe 5 ies den Text 3 zu den Ionisierungsenergien und beantworte die folgenden Fragen: a) Was versteht man unter der Ionisierungsenergie? Die, die erforderlich ist, um das äußerste Elektron ganz aus dem Atom zu entfernen b) Warum hat Helium 2 He eine viel größere Ionisierungsenergie als Wassersoff 1 H? Wegen der doppelt so großen adung bzw. Anziehung des erns c) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 2 He zu ithium 3 i stark ab? Wegen des Übergangs auf eine größere und weiter vom ern entfernte Schale d) Warum nimmt die Ionisierungsenergie von 3 i zu Neon 10 Ne wieder allmählich zu? Wegen der Zunahme der ernladung bzw. Anziehung des erns bei gleicher Schale e) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 10 Ne zu Natrium 11 Na plötzlich ab? Wegen des Übergangs auf eine größere und weiter vom ern entfernte Schale f) Warum nimmt die Ionisierungsenergie von 10 Na zu Neon 18 Ar wieder langsam zu? Wegen der Zunahme der ernladung bzw. Anziehung des erns bei gleicher Schale g) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 18 Ar zu alium 19 plötzlich ab? Offenbar sitzt das 19. Elektron auf einer neuen Schale, obwohl die M-Schale noch nicht voll ist! h) Wie könnte man sich die kleinen Sprünge z.b. von Beryllium 4 Be nach Bor 5 B erklären? Offenbar gibt es innerhalb der Schalen weitere Unterstufen 7

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