Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente 6h

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1 Seite 1 von 15 Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente 6h Die Schüler begreifen, dass neue Erkenntnisse zu einer Weiterentwicklung bzw. Ablösung bisheriger Modellvorstellungen führen. Sie sollen dabei das für die Naturwissenschaften so wichtige Wechselspiel von experimentellen Arbeiten und erklärender Modellbildung nachvollziehen. Neue Modellvorstellungen zum Atombau helfen den Schülern, die Elementanordnung im Periodensystem besser zu verstehen und dieses als Informationsquelle zu nutzen. Grundbegriffe: Elementarteilchen, Isotopie, Valenzelektronen, Oktettegel, Periodensystem der Elemente Kern-Hülle-Modell Bausteine der Atome: Proton, Neutron, Elektron Radioaktivität Radioaktivität als Folge des Atomzerfalls Rückblick auf die historische Entwicklung der Atomvorstellung (Demokrit, Dalton) Anknüpfung an Ionentheorie: Atome sind aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt. Wie kann der Aufbau der Atome erforscht werden? Prinzipiell zwei Möglichkeiten: Kernstrahlung, Beschuss Entdeckungsgeschichte der Radioaktivität 1896 Entdeckung der Röntgenstahlen

2 Seite 2 von Becquerels Entdeckung der Radioaktivität Becquerels Hypothese: Wenn die Röntgenstrahlen eine Begleiterscheinung der Fluoreszenz wären, dann sollte auch ein fluoreszierendes Uransalz bei Belichtung mit UV-reichem Sonnenlicht Röntgenstrahlen aussenden, die eine darunter liegende Fotoplatte schwärzen müssten. Entdeckung des Radiums Leuchtzifferblatt (Radium + Zinksulfid) Spuren von α-strahlen des Radiums in der Nebelkammer Komponenten der radioaktiven Strahlung und ihre Eigenschaften: Ablenkung von radioaktiven Strahlen im elektrischen Feld liefert 3 Komponenten: β-strahlen Masse = 1/2000 u Ladung = - e Elektronen γ-strahlen Masse = 0 Ladung = 0 Elektromagnet. Wellen α-strahlen Masse = 4 u Ladung = + 2 e Heliumkerne

3 Seite 3 von 15 Reichweite und Abschirmung der radioaktiven Strahlung Reichweite in Luft Abschirmung durch α einige cm Blatt Papier β einige Meter Taschenbuch γ Abnahme nach Abstandsquadratgesetz Beton und Bleiwände Rutherfords Streuversuch - Kern-Hülle-Modell

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5 Seite 5 von 15 Beobachtung: Fast alle α-teilchen durchdrangen die Folie, ohne abgelenkt zu werden. Nur eines von etwa Teilchen wurde abgelenkt. Ergebnis: Atommodell von Rutherford Die gesamte positive Atomladung und nahezu die gesamte Atommasse sind auf einen kleinen Bereich von der Größenordnung m im Mittelpunkt des Atoms konzentriert. Dies ist der Atomkern. Hiernach beträgt der Kerndurchmesser nur rund 1/10000 des Atomdurchmessers. Das bedeutet aber, dass der überwiegende Teil des Atoms leerer Raum ist. Da das Atom nach außen hin elektrisch neutral ist, muss die positive Kernladung durch eine entsprechende Anzahl von Elektronen kompensiert werden. Diese Elektronen werden durch die Coulomb-Kräfte von dem positiv geladenem Kern angezogen und im Atomverband festgehalten. Damit sie nicht in den Kern hineinstürzen, muss angenommen werden, dass sie sich ähnlich wie die Planeten um die Sonne um den Kern bewegen. Die Gesamtheit dieser Elektronen bildet die Atomhülle. Das Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Der Atomkern enthält nahezu die gesamte Masse des Atoms und ist positiv geladen. Die Atomhülle enthält die der positiven Kernladung entsprechende negative Ladung in Form von Elektronen. Veranschaulichung der Größenverhältnisse Atomkern zu Hülle: Erbse im Kölner Dom Atomkern und Elementarteilchen, Isotope Lehrplan Literatur Medien Geräte Chemikalien Atomkern und Elementarteilchen, Isotope Energiestufen; Hauptquantenzahl historische Aspekte (vergl.c10.1) Zusammenhang zwischen Atombau und Position im PSE elemente chemie S. 100,101 Periodensystem Bausteine des Atoms: Kern: Protonen und Neutronen (=Nukleonen) Hülle: Elektronen Elektron Proton Neutron Ladung - e + e 0 Masse 1/2000 u 1,0073 u 1,0087 u Bau einfacher Atome:

6 Seite 6 von 15 Wasserstoff Helium Lithium Kohlenstoff Schreibweise der Nuklide: Nukleonenzahl Elementsymbol Protonenzahl z.b. Ein chemisches Element ist eine Substanz, deren Atome in ihrer Protonenzahl (=Kernladungszahl) übereinstimmen Übungen zum Bau einfacher Atome Isotope Ungeradzahligkeit vieler Atommassen im Periodensystem! Ursache? Isotope sind Atome eines Elements, die sich in der Zahl der Neutronen und damit in ihrer Atommasse unterscheiden Beispiele: leichter, gewöhlicher Wasserstoff Schwerer Wasserstoff = Deuterium überschwerer Wasserstoff = Tritium

7 Seite 7 von 15 Weitere Beispiele: Chlor-35, Chlor-37 Uran-238, Uran-235 Übung: Flammenfärbungen und Spektroskopie Lehrplan Literatur Medien Geräte Chemikalien Bunsenbrenner Drähte Taschenspektroskop Lithiumchlorid-Lösung Natriumchlorid-L. Kaliumchlorid-L. Calciumchlorid-L. Strontiumnitrat-L. Bariumchlorid-L. Durchführung: Mit einem Eisendraht oder Magnesiastäbchen werden Verbindungen der folgenden Elemente in die Flamme gehalten: Element Flammenfärbung Spektroskopie Lithium rot Natrium gelb Orangegelbe Doppellinie Kalium violett (Kobaltglas!) Strontium rot Barium grün Calcium ziegelrot od. fahlgelb Ergebnis: Atome senden bei hohen Temperaturen (oder elektrischer Anregung) Licht mit charakteristischer Farbe aus. Im Spektroskop werden charakteristische Linien sichtbar, die Spektrallinien. Hohe Empfindlichkeit der Methode! Erklärung: Anregung der Elektronen durch hohe Temperatur -> Anhebung auf höheres Energieniveau - Rückkehr in den Grundzustand unter Energieabgabe in Form von Lichtstrahlung ganz bestimmter Wellenlänge (Quanten). Emissionsspektrum von Magnesium Emissionsspektrum von Silicium

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9 Seite 9 von 15 Spektrallinien und ihre Deutung Emissionsspektrum (Wasserstoff) Absorptionsspektrum (Wasserstoff)

10 Seite 10 von 15 Elektronenübergänge im Wasserstoffatom

11 Seite 11 von 15 Ordnung der Elemente im Periodensystem - gekürztes Periodensystem Energiestufen und Schalenmodell der Atomhülle Ionisierungsenergie: Energie, die zur Abtrennung eines Elektrons aus einem Atom benötigt wird Energiestufenschema - Deutung der Energiestufen als Schalen:

12 Seite 12 von 15 Valenzelektronen: Elektronen auf der äußersten Schale

13 Seite 13 von 15 Atomhülle und Periodensystem Lehrplan Literatur Medien Geräte Chemikalien Zusammenhang zwischen Atombau und Position im PSE elemente chemie 9 S Folien Periodensystem Entdeckung des Periodensystems (Mendelejew, Lothar Meyer, 1869) Ordnet man die Elemente nach steigender Ordnungszahl (=Protonenzahl, Kernladungszahl) und stellt Elemente mit ähnlichen Eigenschaften untereinander, so erhält man das Periodensystem der Elemente. Das Periodensystem spiegelt die Elektronenverteilung (= Elektronenkonfiguration) der Atome der verschiedenen Elemente wider. Mit jeder Periode beginnt die Besetzung einer neuen Schale. Die Elemente einer Gruppe besitzen gleichviele Valenzelektronen. Elektronenkonfiguration und Reaktionsverhalten Übung: Die Elementgruppe der Halogene Lehrplan Literatur Medien Geräte Chemikalien Valenzelektronen; Oktettregel; Erkennen des Zusammenhangs mit der stöchiometrischen Wertigkeit Versuch: Nachweis der Halogenidionen mit Silbernitratlösung Kaliumchlorid-, Kaliumbromid- und Kaliumiodidlösung mit 3 Tr. verd. Salpetersäure ansäuern, mit 10 Tr. 0,5 ml Silbernitratlösung versetzen. Prüfung der Löslichkeit der Niederschläge in verd. Ammoniak (bzw. konz. Ammoniak als Lehrerversuch). Ergebnis: + Silbernitratlösung Kalium-chlorid Kalium-bromid Kalium-iodid käsigweißer Niederschlag von Silberchlorid AgCl löslich in verd. Ammoniak gelblicher Niederschlag von Silberbromid AgBr unlöslich in verd. Ammoniak löslich in konz. Ammoniak gelber Niederschlag von Silberiodid AgI unlöslich in verd. und konz. Ammoniak

14 Seite 14 von 15 KCl + AgNO 3 -> AgCl + KNO 3 Silberchlorid (weiß) KBr + AgNO > AgBr + KNO3 Silberbromid (gelblich) KI + AgNO > AgI + KNO3 Silberiodid (gelb) Hinweis auf Lichtempfindlichkeit der Silberhalogenide und Bedeutung für die Fotografie Versuch: Salzbildung der Halogene mit Metallen Chlorwasser, Bromwasser und Iodlösung werden mit Magnesium- bzw. Zinkpulver geschüttelt. Ergebnis: Verschwinden der Halogenfarbe und des Halogengeruchs - mit Silbernitratlösung lassen sich Halogenidionen nachweisen. 2 e - + Cl 2 -> 2 Cl - Zn -> Zn 2+ 2 e Zn + Cl 2 -> Zn Cl - Zn + Cl 2 -> ZnCl 2

15 Seite 15 von 15 Versuch: Unterscheidung von Brom und Iod durch Ausschütteln mit Benzin Ergebnis: Brom löst sich in Benzin mit brauner, Iod mit violetter Farbe Versuch: Reaktion der Halogene Chlor, Brom, Iod mit Chloriden, Bromiden und Iodiden Kaliumchlorid- Kaliumbromidlösung lösung Chlorwasser --- Braunfärbung! Kaliumiodidlösung Braunfärbung! Bromwasser Iodlösung Reaktionsgleichungen: keine Farbänderung, keine Reaktion keine Farbänderung, keine Reaktion nach Ausschütteln mit Benzin - braun nach Ausschütteln mit Benzin - violett --- Braunfärbung! keine Farbänderung, keine Reaktion nach Ausschütteln mit Benzin - violett KBr + Cl 2 -> 2 KCl + Br 2 2 KI + Cl 2 -> 2 KCl + I 2 2 KI + Br 2 -> 2 KBr + I 2