Kapitel 2 Repetitionen Chemie und Werkstoffkunde. Thema 1 Einteilung der Stoffe

Transkript

1 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ Kapitel 2 Repetitionen Chemie und Werkstoffkunde Thema 1 Einteilung der Stoffe Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn Ausgabe: Juni 2010 Die vorliegenden Repetitionsfragen ist eine Sammlung aus jahrelangen Erfahrungen. Es kann gut sein, dass die n nicht optimiert sind und Doppelspuigkeiten möglich sind. Die Kapitel wurden laufend den Bidungsplänen angepasst und der Inhalt ist relativ umfangreich. Wenn die Unterlagen seriös durchgearbeitet werden ist der Einblick in die Werkstoffkunde und damit verbundene berufrelevante Chemie gewährleistet. Ich bin auf Rückmeldungen anderer Lehrpersonen und der Lernenden angewiesen, damit ich das umfangreiche Dokument laufend verbessern kann. Die Unterlagen sind nicht geschützt und können verwendet werden. Für den Inhalt ist jeder Verwender selber verantwortlich. Bei Fehlern im Inhalt und daraus resultierende Schäden wird jede Haftung abgelehnt.

2 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 101 Welche Stoffarten kennen Sie? Reine Stoffe Elemente Metalle Natürliche Stoffe Verbindungen Gemische, Gemenge Nichtmetalle Halbmetalle Kunststoffe Isolierstoffe Leiter Magnetwerkstoffe 102 Wieviele chemische Elemente kennt man bis heute? Metalle Halbmetalle Nichtmetalle Metalle 88 Halbmetalle 7 Nichtmetalle Geben Sie vier wichtige Metalle an, welche für den Elektrobereich von Bedeutung sind! 1 Eisen 2 Kupfer 3 Aluminium 4 Nickel 5 Blei 6 Chrom 7 Wolfram 8 Zink 9 Zinn 10 Uran 11 Magnesium 12 Silber 13 Gold 14 Mangan 104 Geben Sie zwei wichtige Halbmetalle an, welche für den Elektromonteur von Bedeutung sind! Silizium Germanium Weitere Halbmetalle: Arsen Bor Tellur Polonium Astadium

3 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 105 Geben Sie vier wichtige Nichtmetalle an, welche für den Elektromonteur von Bedeutung sind! 1 Sauerstoff 2 Wasserstoff 3 Kohlenstoff 4 Phosphor 5 Helium 6 Brom 7 Fluor 8 Schwefel 9 Argon 10 Jod 106 Aus welchen Elementarteilchen bauen sich die Atome auf? Proton Neutron Elektron 107 Wie sind die Ladungen der drei Elementarteilchen? Proton (+, positiv) Neutron (neutral, keine Ladung) Elektron (-, negativ) 108 Wie sind die Massen der drei Elementarteilchen? Proton (1,672x10-24 g) Neutron (1,675x10-24 g) Elektron (0, x10-24 g)

4 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 109 Was verstehen Sie unter dem Atomkern? Der Atomkern enthält neben den Protonen noch Neutronen (ausser Wasserstoff). Die Summe der Protonen und Neutronen nannt man Massezahl oder Nukleonenzahl (nukleus = Kern). 110 Was verstehen Sie unter der Nukleonenzahl? Die Summe der Protonen und Neutronen nannt man Massezahl oder Nukleonenzahl (nukleus = Kern). 111 Was verstehen Sie unter dem Atomrumpf? Atomrümpf nennt man das Gesamtatom ohne Aussenelektronen. 112 Was ist ein Valenzelektron? Elektronen der äussersten Schale des Atomes nennt man Valenzelektronen.

5 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 113 Was ist ein Atom? Kleinstes Teilchen eines Stoffes 114 Welche Eigenschaften haben Atomteilchen? Sie sind nach aussen neutral. 115 Zeichnen und beschriften Sie den Aufbau eines Atomes! 116 Weshalb fällt der Atomkern nicht auseinander bzw. weshalb sollte er zerfallen? Die Neutronen bilden den Kernkitt.

6 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 117 Weshalb fallen die Elektronen nicht in den Atomkern bzw. weshalb sollten sie auf den Kern fallen? Sie bewegen sich mit grosser Geschwindigkeit um den Atomkern dabei werden sie vom positiv geladenen Kern angezogen. Die Orbitale bzw. die festen Kreisbahnen verhindern den Absturtz in den Kern. Radialkraft (Fliehkräfte) der Elektronen verhindern einen Absturz in den Kern. 118 Was versteht man unter Elementarladung und wie gross ist diese? 1,6021x10-19 As Negative Ladung = Elektron Positive Ladung = Proton 119 Wie heissen die kleinsten Teilchen eines Stoffes, die chemisch nicht mehr weiter zerlegbar sind? Atome a) Grundstoffe b) Atome c) Moleküle d) Protonen e) Elektronen 120 Warum sind im Normalzustand die Atome nach aussen neutral? Weil sie gleich viel Elektronen wie Protonen besitzen.

7 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 121 Beschreiben Sie das Masseverhältnis des Atoms! Protonen und Neutronen stellen die Masse dar. Das Elektron besitzt ca. eine 1800-mal kleinere Masse als die des Neutrons bzw des Protons. 122 Was ist ein Atom nach aussen? Neutral 123 Was bedeutet der Name Atom? Atom kommt vom griechischen atomos = unteilbar 124 Wie ist ein Atom aufgebaut? Beispiel: Im Atomkern sind Protonen (+) und Neutronen

8 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 125 Was bedeutet die Nukleonenzahl? (Beispiel Si) Die Nukleonenzahl ist die Summe der Protonen + Neutronen und entspricht ca. der Atommasse = Die Tafel der chemischen Elemente ist gegliedert in Spalten und Reihen. Welche Kriterien sind für die Plazierung der Elemente verantwortlich? Spalte: Anzahl Atome der äussersten Schale Reihe: Anzahl Protonen im Kern = Ordnungszahl 127 Was bedeutet die Ordnungszahl bei den Atomen (Beispiel Si)? Die Anordnung der Atome in der Tafel der chemischen Elemente. Diese Ordnung ist abhängig von der Protonenzahl des Atomkerns = Durch welche Teile wird die Atommasse bestimmt (Beispiel Si)? Protonenzahl =14 Neutronenzahl =14 28 Relative Atommasse 28,086

9 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 129 Bestimmen Sie für das Kupfer-Atom: a) Elektronenzahl b) Protonenzahl c) Neutronenzahl d) Nukleonenzahl e) Ordnungszahl f) Relative Atommasse g) Anzahl Schalen a) 29 b) 29 c) 34 d) 63 e) 29 f) 63,546 g) 4 (K,L,M,N) In welcher Reihenfolge sind die Atome im PSE aufgeführt? Nach steigender Ordnungszahl. Diese Zahl wird vor das Element im PSE gesetzt und die chemisch ähnlichen Elemente untereinander. 132 Was bedeutet die Ordnungszahl der PSE? Die Protonenzahl wird Ordnungszahl (oder Kernladungszahl genannt).

10 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 133 Was kann aus der Periodennummer im PSE abgeleitet werden? Die Periodennummer gibt Auskunft über die Anzahl der Schalen der Atomhülle. 134 Was beschreibt die Gruppennummer der Hauptgruppen? Die Gruppennummer gibt Auskunft über die Anzahl Elektronen auf der äussersten Schale. 135 Wie werden die Elektronen der äussersten Schale um ein Element symbolisch angeordnet? Ein Elektron wird mit einem Punkt, zwei Elektronen mit einem Strich gekennzeichnet. Sind in der äussersten Schale mehr als vier Elektronen vorhanden, so paaren sich zwei Elektronen und besetzen eine eigene Elektronenwolke. 136 Was bestimmt das chemische Verhalten der Atome? Die Anzahl der äussersten Elektronen. Chemische Vorgänge sind Vorgänge im Bereich der Aussenelektronen. - Oxidation, Kation = E-Abgabe - Reduktion, Anion = E-Aufnahme E = Elektronen

11 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 137 Was lässt sich gemeinsam über die Elemente einer Hauptgruppe im PSE sagen? Sie besitzen gleiche Anzahl Aussenelektronen. 138 Welche Valenz-Elektronen haben folgende Atome? a) C b) N c) O d) F e) Ne f) S a) 4 b) 5 c) 6 d) 7 e) 8 f) Welche Valenz-Elektronen haben folgende Atome? g) C h) Br i) H j) B k) Si l) P m) J g) 6 h) 7 i) 1 j) 3 k) 4 l) 5 m) Was ist zu sagen zu den Nebengruppen? Alle Nebengruppenelemente sind Metalle (Übergangsmetalle). Es werden die zweitäusserste und bei den Elementen die drittäusserste Schale mit Elektronen aufgefüllt.

12 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 141 Welche Elemente stehen jeweils am Anfang des PSE und welche am Ende? Am Anfang der Periode die Alkalimetalle, am Ende der Periode die Edelgase. 142 Mit wieviel Elektronen werden die äussersten Schalen der Hauptgruppen des PSE besetzt? Gruppe Elektronen Alkalimetalle 1 Erdalkalimetalle 2 Erdmetalle 3 Kohlenstoffgruppe 4 Stickstoff/Phosphor-Gruppe 5 Sauerstoff/Schwefel-Gruppe 6 Halogene 7 Edelgase Die einzelnen Schalen der Elemente werden unterschiedlich mit Elektronen aufgefüllt. Welche maximale Elektronenzahl sind auf den Schalen nach dem PSE vorhanden? Anzahl Elektronen Schale Name 2 1 K 8 2 L 18 3 M 32 4 N 50 5 O 72 6 P 98 7 Q 144 Wo stehen im PSE die Metalle bzw. die Nichtmetalle? Im PSE nimmt der Metallcharakter der Gruppe 1 mit zunehmender Periode zu. Der Nichtmetallcharakter der hohen Gruppen nimmt mit zunehmender Periode zu.

13 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 145 Nennen Sie die wichtigsten Elemente aus den Nebengruppen! Eisen (Fe) Nickel (Ni) Kupfer (Cu) Zink (Zn) Silber (Ag) Wolfram (W) Platin (Pt) Gold (Au) Uran (U) Plutonium (Pu) Zinn(Sn) Alunminium (Al) 146 Warum zeigen sich bei den Nebengruppenelementen von Element zu Element mit steigender Ordnungszahl geringere Eigenschaftsänderungen als bei den Hauptgruppen? Die Atome der Nebengruppen haben ein oder zwei Aussenelektronen. Da die chemischen Eigenschaften von der äussersten Schale abhängen und diese bei den Elementen der Nebengruppen wenig ändern. Es sind alles Metalle. 147 Was kann man aus der Kurzbezeichnung 40 Ca 20 ablesen? Atommasse 40 Protonenzahl 20 Elementname Calcium Neutronenzahl 20 Elektronenzahl Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem Atomaufbau und der Stellung im PSE? Hauptgruppen Anzahl Elektronen der äussersten Schale ist die Gruppe, Anzahl Schalen bestimmt die Periode und.die Anzahl Protonen die Stellung in der Periode. Die Periode endet jeweils mit einem Edelgas. Nebengruppen Anzahl Schalen bestimmt die Periode und die Protonenzahl die Stellung innerhalb der Periode.

14 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 149 Bestimmen Sie die Wertigkeiten der Elemente aus dem PSE! Geben Sie die Symbole der Elemente in der Reihenfolge der Ordnungszahl an. 0 He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn 1 H,Li,-F,Na,-Cl,K,Cr,Cu, -Br,Rb,Nb Mo,Ru,Rh,Ag,-J,Cs,Pt, Au,-At,Fr 2 Be,-O,Mg,-S,Ca,Sc,Ti,V, Mn,Fe,Co,Ni,Zn,Se,Sr, Y,Zr,Tc,Cd,Te,Ba,La,Ce, Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb, Dy,Ho,Er,Th,Yb,Lu,Hf,Ta, W,Re,Os,Ir,Hg,-Po,Ra, Ac,Th,Pa,U,Np,Pu,Am, Cm,,Cf,Es,Fm,Md,No, Lr 150 Bestimmen Sie die Wertigkeiten der Elemente aus dem PSE! Geben Sie die Symbole der Elemente in der Reihenfolge der Ordnungszahl an. 3 B,-N,Al,-P,Ga,-As,In,-Sb, Tl,-Bi, 4 ±C, ±Si, ±Ge, ±Zn, ±Pb 5 N,P,As,Sb,Bi 6 O,S,Se,Te,Po 7 F,Cl,Br,J,At 151 Welches sind die Eigenschaften von Metallen? Metalle Metallglanz Leitfähigkeit für elektrischen Strom Gute Wärmeleitfähigkeit Leichte Verformbarkeit In chem. Verbindungen pos. Ionen Metalle (Metalloxide) bilden Basen 152 Welches sind die Eigenschaften von Nichtmetallen? Nichtmetalle Leiten den elektrischen Strom nicht Schlechte Wärmeleitfähigkeit Schlechte Verformbarkeit (spröde). In chem. Verbindungen neg. Ionen. Nichtmetalle(Oxide) bilden Säuren.

15 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 153 Welches sind die Eigenschaften von Edelgas und Halbleiter? Edelgase Untrennbar, gasförmig Halbleiter Weder Leiter noch Isolator Eigenleitfähig bei Temperaturzunahme 154 Welche Regelmässigkeiten finden sich horizontal im PSE und wie hängen diese mit dem Atomaufbau zusammen? Hauptgruppen Valenzelektronen aufsteigend Ordnungszahl aufsteigend Anzahl Schalen gleich Nebengruppen Ordnungszahl aufsteigend Anzahl Schalen gleich 155 Leider gibt es auch im PSE Ausnahmen von der Regel: Was ist in der ersten Periode unregelmässig und wieso? Was passiert bei den Nebengruppenelementen und mit welchen Folgen? Wasserstoff hat kein Neutron im Kern. Helium ist ein Edelgas mit einer Schale mit zwei Elektronen. Es füllen sich die zweite und dritte Schale mit Elektronen auf. Die äusserste Schale verändert sich nur gering (1 oder 2 Elektronen). Die Nebengruppen sind alles Metalle. 156 Zeichnen Sie ein Bohrsches Atommodell von Calcium. Das Element liegt in der vierten Periode und auf der zweiten Hauptgruppe. (Ohne Hilfe der Tabelle! Erst zur Kontrolle nachschauen.)

16 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 157 Welche Angaben können Sie folgenden Angaben entnehmen? Ordnungszahl Gruppennummer Periodennummer Massenzahl Anzahl Protonen Anzahl Valenzelektronen (bei den Hauptgruppen) Anzahl Schalen Summe der Protonen und Neutronen 158 Zeichnen Sie ein Bohrsches Atommodell. Das Element liegt in der dritten Periode und auf der zweiten Hauptgruppe. Welches Element ist es? Si (Ohne Hilfe der Tabelle! Erst zur Kontrolle nachschauen.) 159 Skizzieren Sie das Periodensystem der Elemente, so dass man seine wesentlichen Strukturen erkennt: a) Drei Stoffklassen! b) Horizontale Gliederung! c) Vertikale Gliederung! 160 Wie ist das PSE strukturiert? Wie sind die Elemente einsortiert? Geordnet nach der Ordnungszahl (Protonenzahl). Jede Periode (Schale) endet mit einem Edelgas. Die Hauptgruppen sind nach den Valenzelektronen geordnet. Die Nebengruppen nach der Ordnungszahl und nach den Perioden.

17 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 161 Was können Sie über die Eigenschaften der E- lemente aus dem PSE aussagen? Senkrecht also mit zunehmender Periode sind Elemente mit den gleichen Eigenschaften. 162 Was ist der Unterschied zwischen einem Leiter und einem Nichtleiter? In der Atombindung der Metalle sind die Aussenelektronen nur schwach an den Atomrumpf gebunden. Es entsteht zwischen dem Atomgitter ein Elektronengas welches die elektrische Leitfähigkeit bestimmt. Nichtleiter besitzen in der Verbindung wenige freie Elektronen. 163 Was wissen Sie über die Masse der Atomteilchen? Neutronen und Protonen zusammen bestimmen die Atommasse m p =m e = 1,673x10-24 g Die Massen der Atomteilchen werden in Einheiten (u) im Vergleich zum Wasserstoffatom dargestellt. 164 Wieviele Elektronen befinden sich maximal auf der äussersten Schale und um was für ein Element handelt es sich dabei? Acht Elektronen Edelgaszustand

18 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 165 Was gibt die Wertigkeit an? 1. Die Zahl der Wasserstoff-Atome, die ein Atom binden (oder ersetzen) kann, nennt man die Wertigkeit des Atoms. 2. Die Wertigkeit ist im einfachsten Fall die Anzahl Elektronen die ein Element in einer Verbindung abgeben oder aufnehmen kann. 3. Andere Wertigkeiten des gleichen Elementes werden durch die Bindungspartner bestimmt. 166 Was sind Isotope? Ein Isotop nennt man ein Element im PSE welches die gleiche Protonenzahl aufweist aber eine andere Anzahl Neutronen besitzt. Isotope sind gleichartige Atome mit unterschiedlicher Atommasse. 167 Weshalb ist die Atommassenzahl im PSE nicht ganzzahlig? Weil die Massen im Vergleich mit dem Wasserstoffatom nicht einen ganzzahligen Wert ergeben. 168 Welche Eigenschaften haben die Edelgase und warum? Sie sind Gase. Ihre äusserste Schale ist mit 8 Elektronen voll besetzt (Oktett) und kann daher keine Bindung eingehen.

19 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 169 Nennen Sie die Namen der Edelgase. Helium Neon Argon Krypton Xenon Radon 170 Durch welche Zahl ist jedes Element im Periodensystem unterscheidbar? d) Zahl der Protonen a) Zahl der freien Elektronen b) Isotopen-Nummer c) Relative Atommasse d) Zahl der Protonen e) Zahl der Neutronen 171 Welche Teilchen im PSE sind die reaktionsträgsten? Edelgase 172 Im Periodensystem kann man bezüglich den chemischen Eigenschaften welche Aussage machen? Die Elemente in den verschiedenen Hauptgruppen haben ähnliche chemische Eigenschaften

20 BEARBEITUNGSTECHNIK REPETITONEN LÖSUNGSSATZ 173 Welche Elemente im PSE sind Halbmetalle? Silicium Germanium Arsen Antimon Tellur Polonium Astat (Radioaktives Material)