FOS: Radioaktivität und Strahlenschutz. Chemische Elemente und ihre kleinsten Teilchen

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1 R. Brinkmann Seite Chemische Elemente FOS: Radioaktivität und Strahlenschutz Chemische Elemente und ihre kleinsten Teilchen Der Planet Erde besteht aus 9 natürlich vorkommenden chemischen Elementen. Man kennt zurzeit 4 chemische Elemente. Davon sind 3 künstlich erzeugt worden. Element Häufigkeit in % Element Häufigkeit in % Sauerstoff 49, Titan 0,58 Silizium 5,7 Chlor 0,9 Aluminium 7,5 Phosphor 0, Eisen 4,7 Kohlenstoff 0,08 Calcium 3,39 Mangan 0,08 Natrium,63 Schwefel 0,06 Kalium,4 Barium 0,04 Magnesium,93 Stickstoff 0,03 Wasserstoff 0,87 Fluor 0,03 Für wissenschaftliche Betrachtungen benötigt man eine einheitliche biologische Grundlage, den Standartmenschen: Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste (einschließlich Luft und Wasser) Alter: 0 bis 30 Jahre Gesamtlebensdauer: 70 Jahre Körpergewicht: 70 kg Körperoberfläche:,8 m Körpergröße:,70 m Erstellt von R. Brinkmann r_s_ :37 Seite von 7

2 R. Brinkmann Seite Zusammensetzung des menschlichen Körpers (Standardmensch) Element Masse in g Anteil des Körpergewicht in % Sauerstoff Kohlenstoff Wasserstoff Stickstoff 00 3 Calcium 050,5 Phosphor 700 Schwefel 75 0,5 Kalium 40 0, Natrium 05 0,5 Clor 05 0,5 Magnesium 35 0,05 Eisen 4 0,0057 Kupfer 0,,4 x 0-4 Jod 0,03,4 x 0-5 weitere Spurenelemente Aufbau des Atoms Die kleinsten Teile der chemischen Elemente werden Atome genannt. Atome sind unsichtbar. 0 Millionen Atome aneinandergereiht ergeben nur etwa mm. Im Modell werden Atome durch einen Kern und einer Hülle dargestellt. Der Kern besteht aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Sie werden durch sehr starke Kernkräfte zusammengehalten. Die positiven Protonen stoßen sich gegenseitig ab, werden aber durch die starken Kernkräfte zusammengehalten. In der Atomhülle bewegen sich in der Regel ebensoviel negativ geladene Elektronen wie sich Protonen im Kern befinden. Das Atom ist dann nach außen elektrisch neutral. Verliert ein Atom ein Elektron aus seiner Hülle, so wird es zum positiven Ion. Nimmt ein Atom ein Elektron in die Hülle auf, so wird es zum negativen Ion. Um ein Elektron aus der Hülle abzutrennen, benötigt man Energie. Im Schalenmodell unterscheidet man die Schalen K -, L -, M -,N -, O -, P -, Q mit K am Kern beginnend. Je weiter ein Elektron vom Kern entfernt ist, desto leichter ist es abzutrennen. Die Elektronen, die sich am weitesten außen befinden (Valenzelektronen) sind an der chemischen Bindung beteiligt. Erstellt von R. Brinkmann r_s_ :37 Seite von 7

3 R. Brinkmann Seite Atome in vereinfachter Modelldarstellung Größenverhältnisse im Wasserstoffatom Streichholzkopf: ca.,5 mm Fernsehturm: ca. 50 m (Verhältnis: ca. : ) Hüllendurchmesser: x0-7 mm = x0-0 m Kerndurchmesser: x0 - mm = x0-5 m Masse und elektrische Ladung der drei wichtigsten Elementarteilchen. Elementarteilchen Masse (Ruhemasse) Ladung in kg in Elektronen- in Coulomb In Elementarmassen ladungen Elektron 3 9, , Proton 7, ,5 9, Neutron 7, , Erstellt von R. Brinkmann r_s_ :37 Seite 3 von 7

4 R. Brinkmann Seite Betrachtungen zur Atomanzahl Beispiel : Wie viel Atome enthält g Eisen? Die relative Atommasse von Eisen beträgt 56 (Atomgewicht). Ein mol eines Stoffes ist das Atom - oder Molekulargewicht in Gramm. 3 Die Anzahl der der Atome oder Moleküle in mol beträgt 6,0 0 Daher sind in 56 g Eisen 6,0 0 Eisenatome enthalten ,0 0 60, 0 g Eisen enthält: = 0 Atome Gedankenexperiment : g Eisen soll gleichmäßig über die Fläche von ganz Hamburg 8 ( = ) A 747,68 km 7,5 0 m verteilt werden. Wie viel Eisenatome befinden sich dann auf m? Eisenatome N= =,3 0 7,5 0 m 7,5 0 m m Gedankenexperiment : g Eisen soll gleichmäßig im Wasser der Weltmeere ( = = = ) V 370 Mio km,37 0 m,37 0 Liter verteilt werden. Wie viel Eisenatome befinden sich dann auf Liter? N= = 7,37 0 Liter,37 0 Liter Eisenatome Liter Erstellt von R. Brinkmann r_s_ :37 Seite 4 von 7

5 R. Brinkmann Seite g Eisen wird in Gedanken auf die Fläche der Stadt Hamburg verteilt g Eisen wird in Gedanken im Wasser der Weltmeere verteilt Beispiel : Wie viel Wassermoleküle befinden sich in g Wasser (H O)? Molekulargewicht von H O ist 8 (Wasserstoff = Sauerstoff = 6) 3 6,0 0 60, 0 N = = 3,4 0 Wassermoleküle 8 8 Erstellt von R. Brinkmann r_s_ :37 Seite 5 von 7

6 R. Brinkmann Seite Aufbau der Atomkerne Proton und Neutron haben fast die gleiche Masse. Die Masse des Elektrons beträgt /836 der Masse des Protons (wird vernachlässigt). Praktisch ist die gesamte Masse des Atoms im Kern vereinigt. Aufbau der Atomkerne im Modell Zur Kennzeichnung des Kernaufbaus wird die Massenzahl oben links, die Kernladungszahl unten links neben das chemische Symbol gesetzt. Massenzahl = Anzahl der Protonen + Neutronen Kernladungszahl = Anzahl der Protonen Neutronenzahl = Massenzahl Kernladungszahl Eine Atomart, die durch Protonenzahl und Neutronenzahl charakterisiert ist, wird als Nuklid bezeichnet. Kern eines Heliumatoms Kern eines Kohlenstoffatoms Kern eines Uranatoms Massenzahl: 4 Kernladungszahl: 4 He 6 C 35 Massenzahl: Kernladungszahl: 6 Kennzeichnung des Kernaufbaus 9 U Massenzahl: 35 Kernladungszahl: 9 Für die Elementarteilchen gilt: Proton : p Neutron : 0 n Elektron : 0 e Erstellt von R. Brinkmann r_s_ :37 Seite 6 von 7

7 R. Brinkmann Seite Isotope Die Atome eines Elementes können bei gleicher Protonenzahl eine unterschiedliche Neutronenzahl besitzen. Atome mit gleicher Kernladungszahl aber mit unterschiedlicher Massenzahl, bezeichnet man als Isotope. Sie unterscheiden sich nicht in ihren chemischen, wohl aber in ihren kernphysikalischen Eigenschaften. Im natürlichen Wasserstoff treten drei Isotope auf. Leichter Wasserstoff: H 99,985% Schwerer Wasserstoff: H 0,05% auch Deuterium genannt 3 Überschwerer Wasserstoff: H auch Tritium genannt kleinste Mengen Die Kerne der Wasserstoffisotope Tritium wird in den oberen Schichten der Atmosphäre durch die kosmische Strahlung ständig neu gebildet und entsteht auch in Kernkraftwerken. Tritium ist radioaktiv. Abgekürzte Schreibweise für Nuklide: H 3, He 4, C, U 35, U 38 Erstellt von R. Brinkmann r_s_ :37 Seite 7 von 7