Brückenkurse Chemie Wintersemester 2016/2017

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1 Fakultät Mathemathik/Naturwissenschaftensname, Professur für Anorganische Chemie I Brückenkurse Chemie Wintersemester 2016/2017 Atombau und Periodensystem

2 Was kann Chemie heute leisten? Kampf gegen noch nicht behandelbare Krankheiten (Krebs, Aids) Kampf gegen den Hunger der Welt (Düngemittel, Pflanzenschutz) Sicherstellung unserer Energieversorgung (alternative Energiequellen) Schonung wertvoller Rohstoffe (Erdöl, Erze, Kohle) Umweltschutz (Recycling, Entgiftung, Stoffkreisläufe) Erhöhung der allgemeinen Lebensqualität (neue Werkstoffe)

3 Das Haus der Chemie Abgase Abwasser Baustoffe Brennstoffe Korrosion Kühlwasser Gentechnik Stoffwechsel Energietechnik Kernphysik Stoffwechsel Therapie Pharmazie Biologie Physik Medizin Düngemittel Futtermittel Pflanzenschutz Ingenieurwesen Land- und Forstwirtschaft Technische Chemie Lebensmittelchemie ChemischeThermodynamik Radiochemie CHEMIE Polymerchemie Biochemie Anorganische Chemie Physikalische Chemie Organische Chemie Allgemeine Chemie

4 Die Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffen und den stofflichen Veränderungen. Die Physik ist die Wissenschaft von den Zuständen und den Zustandsänderungen. Stoffliche Änderung - Zustandsänderung vorher nachher vorher = nachher 2 Mg (s) + O 2 (g) 2 MgO (s) Glühdraht

5 Reinstoffe und Stoffgemische Stoffe Reinstoffe chemische Trennverfahren thermische Zersetzung Elektrolyse Stoffgemische physikalische Trennverfahren dekantieren filtrieren destillieren extrahieren Verbindungen Elemente heterogene Stoffgemische homogene Stoffgemische H 2 O Wasserstoff Sauerstoff Granit Milch Luft, Wein Messing

6 Heterogene Homogene Stoffgemische heterogenes Feststoff- Gemisch: Granit besteht aus Kristallen von Quarz (farblos), Glimmer (schwarz) und Feldspat (rosa-gelb) homogenes Flüssigkeits- Gemisch: Scotch Whisky (7) (6) (5) (4) (3) (2) (1) heterogenes Flüssigkeits- Gemisch: (1) durch Extraktion von Gras grün gefärbtes Chloroform (2) farbloses Glycerin (3) mit Sudanrot gefärbtes Rizinusöl (4) Ethanol-Wasser-Gemisch farblos (5) gelber Lebertran (6) mit Methylenblau blau gefärbtes Methanol (7) Leichtbenzin farblos

7 Stoffgemisch Chemische Verbindung S - Pulver Fe - Pulver heterogenes Stoffgemisch vermischen chem. Reaktion chemische Verbindung

8 Atomdefinitionen vor 2000 Jahren DEMOKRIT: gr. von atomos - unteilbar; unteilbarer Urstoff Alle Materie besteht aus kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome im leeren Raum John Dalton: es gibt Stoffe, die nur aus einer Atomsorte bestehen. man nennt sie chemische Elemente (z.b. Gold, Sauerstoff, Eisen) die Atome haben unterschiedliche Massen 1913 Niels Bohr: ein Atom ist ähnlich aufgebaut wie ein Sonnensystem, d.h. um den massereichen Atomkern kreisen in großem Abstand die Elektronen

9 Atomdefinitionen Das heutige Atombild: Atom besteht aus Atomkern und Atomhülle Kern ist positiv und die Hülle negativ geladen Atomkern trägt fast die gesamte Masse des Atoms aufgebaut aus Protonen und Neutronen fast 2000 mal schwerer als die Elektronen, aus der die Atomhülle besteht Proton hat die positive elektrische Ladung gleicher Wert wie die negative des Elektrons Neutron ist elektrisch neutral Wert der elektrischen Ladung des Protons oder Elektrons = Elementarladung Protonen und Neutronen zusammenfassend = Nukleonen bestehen ihrerseits aus noch kleineren Teilchen, den Quarks

10 Atomdefinitionen " Ein Atom ist der kleinste Baustein eines chemischen Elements, der ohne Verlust der typischen Eigenschaften dieses Elements nicht mehr geteilt werden kann.

11 Das Atom Atomkern: sehr klein und schwer (99,8% der Atommasse ist Kernmasse!) positive Elementarladung (+1) Elektronenhülle: negativ geladene Elektronen (-1) bewegen sich um den Kern Teilchen Ladung Masse Proton Neutron Elektron ,00728u 1,00867u 0,00055u Vergleiche: Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, hätte der Atomkern die Größe eines Marienkäfers. Alle 7 Milliarden Menschen, die z. Zt. auf der Erde leben, würden, wenn ein Mensch so groß wie ein Atom wäre, eine etwa 70 cm lange Kette bilden.

12 Elementarteilchen Teilchen Neutron Proton Elektron Ladung keine Ladung eine positive Ladung + 1, Coulomb eine negative Ladung - 1, Coulomb Masse 1, g (1,00867 u) 1, g (1,00728 u) 9, g (0,00055 u) n + fast gleiche Massen gleich große, entgegengesetzte Ladungen

13 Das Atom

14 Isotope...sind Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl

15 Isotopenzusammensetzung Ord. zahl PSE Element Nuklid bzw. Isotop Masse Isotop/u Natürliche Häufigkeit /% Relative Atommasse /u 1 Wasserstoff 1 H 2 H Deuterium 3 H Tritium 1, , , ,984 0,0156 Spuren 1,008 6 Kohlenstoff 12 C 13 C 14 C 12, , , ,892 1,108 Spuren 12, Stick-stoff Sauerstoff 14 N 15 N 16 O 17 O 18 O 14, , , , , ,635 0,365 99,759 0,037 0,204 14, ,9994

16 Elektronenbahnen und Orbitale Orbital: Raum, der einem Elektron für seinen Aufenthalt zur Verfügung steht

17 Quantenzahlen n = Hauptquantenzahl bezeichnet die Schalen (1, 2, 3... oder K, L, M...), d.h. Größe des Orbitals l = Nebenquantenzahl charakterisiert Form des Orbitals (s: Kugel, p: Hantel, d: Rossette, f) m l = Magnetquantenzahl gibt Orientierung des Orbitals im Raum an m s = Spinquantenzahl bezeichnet die Spinrichtung (Eigendrehimpuls) des Elektrons

18 Orbitale

19 Elektronen in Orbitalen PAULI-Prinzip Elektronen eines Atoms müssen sich in mindestens einer Quantenzahl unterscheiden die 2 Elektronen eines s-orbitals: antiparalleler Spin von +1/2 und 1/2 HUND sche Regel Orbitale gleicher Energie immer erst mit einem einzelnen e - besetzt, dann mit einem antiparallelen zweiten e - aufgefüllt werden Nach Besetzung des 3p-Orbitals erfolgt aus energetischen Gründen die Besetzung des 4s-Niveaus vor dem 3d-Niveau. Eine Schale kann mit maximal 2n 2 Elektronen besetzt werden. Eine definiert besetzte Elektronenhülle der Atome heißt Elektronenkonfiguration: Li 1s 2 2s 1 oder [He] 2s 1 Ne 1s 2 2s 2 2p 6 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 oder [Ne] 3s 1

20 Elektronenkonfig. der Elemente 1-10 H ungepaarte Elektronen 1 Elektronenkonfiguration 1s 1 He 0 [He] 1s 2 Li 1 1s 2 2s 1 Be 0 1s 2 2s 2 B 1 1s 2 2s 2 2p 1 C 2 1s 2 2s 2 2p 2 N 3 1s 2 2s 2 2p 3 O 2 1s 2 2s 2 2p 4 F 1 1s 2 2s 2 2p 5 Ne 0 1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] 1s 2s 2p

21 Energie Elektronen in Orbitalen Energetische Reihenfolge der Orbitale s- p- d- f-orbitale HQZ n NQZ l s p d f Q 7s 6s 6p P 5d 5f O 4f 6 P 5 O 6s 5s 6p 5p 5d 5p 4d N 4 N 4s 4p 4d 4f 5s 4s 4p 3d M 3 M 3s 3p 3d 3s 2s 3p 2p L 2 L 2s 2p 1s K 1 K 1s

22 Periodensystem der Elemente

23 Periodensystem der Elemente

24 Periodensystem der Elemente 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 3d 4d 5d 6d 2p 3p 4p 5p 6p 4f 5f Hauptgruppenelemente Übergangsmetalle Lanthanoide, Actinoide Edelgase

25 Energie Üben: Chlor Q 7s 6s 6p 5p P 5d 4d 5f O 4f N Ac-Lr La-Lu [Ne]3s 2 3p 5 5s 4s 3s 2s 1s K 4p 3p 2p L 3d M H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr * Mn Fe Co Ni Cu * Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac

26 Das Element im Periodensystem Ordnungszahl Elementname 9 4 F Fluor 18,998 Elektronegativität Atommasse Elementsymbol

27 Atomradien innerhalb einer Gruppe mit zunehmender Ordnungszahl weiter außen liegende Elektronenschalen besetzt Anziehung auf die Elektronenhülle wird größer innerhalb einer Periode Atomradius ist das Ergebnis von Anziehung der Elektronen durch den Kern einerseits und der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen andererseits

28 Atomradius Atomradien Atomradius Metalle Nichtmetalle

29 Energie Energie Ionisierungsenergie...Mindestenergie in ev, die benötigt wird, um aus einem Atom ein Elektron zu entfernen: A A + + e - 2s 2p Energie 2s 2p 1s Li 1s Li +

30 I nimmt ab Ionisierungsenergie...Mindestenergie in ev, die benötigt wird, um aus einem Atom ein Elektron zu entfernen: A A + + e - I II III IV V VI VII VIII H Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba Ra He I nimmt zu B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Ga Ge As Se Br Kr In Sn Sb Te I Xe Tl Pb Bi Po At Rn

31 Ionisierungsenergie Änderung der Ionisierungsenergie im PSE I E ( ev ) H He Li Be B C N Edelgase O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti Z Alkalimetalle

32 Ionisierungsenergie (ev) Energie Ionisierungsenergie Änderung der Ionisierungsenergie im PSE Beryllium Bor 2s 2p 2s 2p He Ne 1s 1s 20 H N 15 F Be 10 O Mg C 5 Li B Na Z = Ordnungszahl

33 Ionisierungsenergie (ev) Energie Ionisierungsenergie Änderung der Ionisierungsenergie im PSE Stickstoff Sauerstoff 2s 2p 2s 2p He Ne 1s 1s 20 H N 15 F Be 10 O Mg C 5 Li B Na Z = Ordnungszahl

34 Energie Energie Ionisierungsenergie Lithium Li + Li 2+ 2s 2p I 1 2s 2p I 2 2s 2p 1s 5,4 ev 75,6 ev 1s 1s Li Li + Li 2+

35 Ionisierungsenergie Zusammenfassung

36 Ionisierungsenergie Reaktion der Alkalimetalle mit Wasser Schnittflächen der Alkalimetalle: Reaktivität nimmt zu 2 M + 2 H 2 O 2 MOH + H 2 (M = Li, Na, K)

37 Energie Energie Elektronenaffinität...Energiebetrag in ev, der für die Anlagerung eines Elektrons an ein Atom frei wird bzw. aufgewendet werden muss A + e - A - A + e - A - + Elektronenaffinität (E A ) 2s 2p -Energie 2s 2p 1s F F - 1s

38 E A nimmt zu Elektronenaffinität...Energiebetrag in ev, der für die Anlagerung eines Elektrons an ein Atom frei wird bzw. aufgewendet werden muss A + e - A - A + e - A - + Elektronenaffinität (E A ) I II III IV V VI VII VIII 1 H He 2 Li Be B E A C nimmt N O ab F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra

39 Elektronenaffinität in kj/mol Elektronenaffinität Be He H 1s 2 2s 2 Li 1s 2 2s 2 2p 3 B C N O 1s 2 2s 2 2p 6 Ne Na Al Mg P Si S Ar K Ca Elemente der 2. Periode Elemente der 3. Periode halbbesetztes Orbital vollbesetztes Orbital F Cl Ordnungszahl

40 Elektronegativität...ist ein Maß für das Bestreben eines Elements, in einer Bindung die Elektronen an sich zu ziehen. Elektronegativitäten zweier unterschiedlicher Atome ~ Polarität der Bindung H O H

41 Elektronegativität Elektronegativität Elektronegativität H 2,1 Li 1,0 Be 1,5 B 2,0 C 2,5 N 3,0 O 3,5 F 4,0 Na 0,9 Mg 1,2 Al 1,5 Si 1,8 P 2,1 S 2,5 Cl 3,0 K 0,8 Ge 1,8 As 2,0 Se 2,4 Br 2,8 Rb 0,8 Te 2,1 I 2,5

42 Eigenschaftsänderungen im PSE Zusammenfassung Eigenschaft Atomradius Änderungen innerhalb einer Hauptgruppe Periode Metallcharakter Elektronegativität Elektronenaffinität (Betrag) Ionisierungsenergie