1 Aufbau der Materie. 1.1 Anfänge und Kernhüllenmodell. Bauchemie / Bauphysik II Modul M-T 6

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1 1 Aufbau der Materie 1.1 Anfänge und Kernhüllenmodell 400 J. v. Chr. suchte Demokrit als erster die kleinsten Teile der Materie. Und weil auch er diese damals nicht sehen konnte, entwickelte er eine Modellvorstellung vom Aufbau der Stoffe. Demokrit stellte sich vor, dass alle Materie aus winzigen, nicht weiter teilbaren Teilchen besteht und nannte diese Atome (griech. Unteilbar). Für diese Modellvorstellung versuchten dann im Lauf der Jahrhunderte immer wieder Forscher Beweise zu finden. Heute wissen wir, dass alle Materie, jedes Lebewesen z.b. ein Baum aus Atomen besteht. Dasselbe gilt auch für den menschlichen Körper mit all seinen Organen. Lange Zeit hatte man die Vorstellung, dass die kleinsten Teile der Materie aus festen, unteilbaren Kugeln (Atome) bestehen. Der britischen Physiker Ernest Rutherford konnte 1911 mit seinen Streuversuchen nachweisen, dass Atome nicht aus fester Materie bestehen. Ihm ist ein Experiment gelungen, das sich auch heute noch wiederholen lässt. Er leitete radioaktive Strahlen auf eine Goldfolie und stellte fest, dass die meisten Strahlenteilchen ungehindert durch die Goldfolie hindurch fliegen. Nur wenige Strahlen wurden abgelenkt oder zurückgeworfen. Rutherford folgerte aus seinem Streuversuch, dass der grösste Teil der Masse eines Atoms in einem sehr kleinen positiv geladenen Kern konzentriert ist. Er entwarf das Kernhüllenmodel des Atoms. 1

2 1.2 Das Kernhüllenmodell des Atoms Im Kern des Atoms befinden sich zwei verschiedene Kernteilchen, positiv geladene Protonen und elektrisch neutral geladene Neutronen. Dem Proton kommt die Ladung +1 zu! Die Ebene auf der das Elektron den Kern umkreist nennt man Schale. Da nicht alle Elektronen auf derselben Ebene Platz haben, enthalten die grössten Atome 7 Schalen. Die positive Kernladung wird entsprechend durch eine negative Ladung in der Atomhülle ausgeglichen. Ein Elektron trägt die Ladung -1! Die Anzahl der Protonen im Kern stimmt überein mit der Anzahl Elektronen in der Atomhülle. Darum sind Atome nach aussen hin elektrisch neutral! Jedes Atom besteht aus einem Atomkern und Elektronenschalen Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen Die Protonen sind positiv geladen Einzig der Wasserstoffkern besteht nur aus einem Proton Da sich mehrere Protonen gegenseitig abstossen würden sind die neutralen Neutronen quasi wie ein Abstandhalter oder auch Kitt zwischen den Protonen zu verstehen Die Elektronen die in Schalen (wie eine Zwiebel) um den Kern kreisen stehen in Wechselwirkung mit dem Kern In der innersten Schale sind maximal 2 Elektronen (Helium, 2 Protonen) 2

3 1.3 Das Periodensystem der Elemente 1. Periode (1. Schale) Das Wasserstoffatom (H) ist das kleinste Atom. Es besitzt ein Proton und ein Elektron, welches den Kern in der 1. Schale umkreist. Es besitzt als ein-ziges Atom keine Neutronen. Helium (He) ist mit 2 Protonen und 2 Elektronen das zweitkleinste Atom. Zudem besitzt es im Kern 2 Neutronen. Beide Elektronen umkreisen den Kern auf der 1. Periode (Schale). 2. Periode (2. Schale) Das drittkleinste Atom, das Lithium besitzt im Kern 3 Protonen und 3 Neutronen und wird von 4 Neutronen umkreist. Das 3. Elektronen aber eine Ebene weiter aussen (2. Schale). Das Berylium ist das viertkleinste Atom....und das Kohlenstoff das fünftkleinste Atom Das letzte Atom in der 2. Periode ist ein Edelgas, da beide Schalen vollständig mit Elektronen gefüllt sind. 3

4 Das nächstgrössere ist das Natriumatom. Es ist das 1. Atom der 3. Periode. Das moderne Periodensystem der Elemente Die Elemente (Atome) werden nach steigender Protonenzahl geordnet. Chemisch verwandte Elemente stehen in einer Gruppe untereinander. Die Gruppenzugehörigkeit eines Elements und seine Stellung innerhalb einer Gruppe ermöglichen Aussagen über viele seiner chemischen Reaktion und über die Art der Verbindungen, die es mit Elementen anderer Gruppen eingeht. Das System hat acht Hauptgruppen und Nebengruppen (Übergangsmetalle). Diese stehen in den Perioden vier bis sechs zwischen der zweiten und dritten Hauptgruppe. Die Zeilen (waagrecht) des Systems heissen Perioden. Jede Periode(mit Ausnahme der ersten und letzten) beginnt mit einem Alkalimetall und endet mit einem Edelgas. Die Zahl der Elemente einer Periode ist je nach Periodennummer verschieden. 4

5 1.4 Die Molekülbindung Atome welche die äusserste Schale mit 8 Elektronen gefüllt haben nennt man Edelgase. So befinden sie sich im energieärmsten Zustand. Alle anderen Atome haben das Verlangen, ebenfalls in einen energieärmeren Zustand überzugehen. Das heisst, sie wollen den Edelgasen ähnlich werden. Dies können sie auf drei Arten erreichen (näher wollen wir uns allerdings nur mit zwei Bindungsarten beschäftigen). Bei der Molekülbindung (auch Atombindung) verbinden sich Nichtmetallatom miteinander! Dabei schliessen sich zwei oder mehrere Atome zusammen, so dass sie gemeinsam acht Valenzelektronen erhalten. Durch Atombindungen vereinigte Atome bilden einen neutralen Atomverband, ein Molekül. Jedes Nichtmetallatom bildet mit seinem Reaktionspartner so viele gemeinsame Elektronenpaare, wie ihm Elektronen bis zur nächsten Edelgaskonfiguration fehlen. Zwischen zwei Atomen kann sich also auch mehr als eine Atombindung ausbilden. Man spricht dann von einer Mehrfachbindung. Ein Wassermolekül (H 2 O) Eine etwas kompliziertere Bindung 5

6 1.5 Die Ionenbindung Die Ionenbindung findet immer zwischen einem Nichtmetallatom und einem Metallatom statt. Dabei geben Atome mit 1 3 Aussenelektronen diese an Atome mit 4 und mehr Aussenelektronen ab. Solche Atome sind dann positiv oder negativ geladene Ionen. Positive Ionen werden als Kationen, negative Ionen als Anionen bezeichnet. Kationen und Anionen ziehen sich gegenseitig an, dabei entsteht ein Kristallgitter. Sämtliche Salze, Mineralien und Kristalle sind so entstanden 1.6 Die Metallbindung Alle Atome eines Elements haben ihre Aussenelektronen gemeinsam. Die Valenzelektronen sind zwischen den Atomrümpfen (Kern und innere Schalen) frei beweglich. Dies kommt bei den Metallen vor. Wegen dieser Beweglichkeit der Elektronen sind Metalle elektrisch leitend. 6