Elemente Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen Klett und Balmer Verlag Zug 2007 Verwendung für den Gebrauch in der eigenen Klasse gestattet Lösungen Kap. 6 Periodensystem und Atombau Lösungen zu den Aufgaben A 1 Die Alkali- und Erdalkalimetalle sowie die Halogene kommen in der Natur nicht elementar, sondern nur in Verbindungen vor. Geben Sie dafür eine Erklärung. Die Alkali- und Erdalkalimetalle sowie die Halogene sind sehr reaktionsfähig. Da sie sofort mit anderen Stoffen reagieren, sind sie in elementarer Form in der Natur nicht beständig. Man findet ihre Atome daher fast ausschliesslich in Verbindungen. A 2 Die Glühwendel einer Glühfadenlampe besteht aus Wolfram, einem Metall mit sehr hoher Schmelztemperatur. In einer Glühlampe kann damit eine Glühtemperatur bis etwa 3000 C erreicht werden. Bei hoher Temperatur sublimiert allerdings ständig etwas Wolfram von der Wendel. An den kühleren Stellen, zum Beispiel an der Glaswand, resublimiert das Wolfram und es entsteht mit der Zeit ein dunkler Belag. Halogenlampen enthalten (unter vermindertem Druck) eine geringe Menge an gasförmigem Brom. Dieses reagiert mit dem sublimierten, das heisst gasförmigen Wolfram zum ebenfalls gasförmigen Wolframhexabromid (WBr 6). Wolframhexabromid zerfällt an Stellen hoher Temperatur wieder in (festes) Wolfram und Brom ( Abb. 25). Versuchen Sie folgende Vorzüge einer Halogenlampe gegenüber einer herkömmlichen Glühlampe zu erklären: Es kann ein sehr viel helleres Licht erzeugt werden und die Lebensdauer ist wesentlich höher. Da das gasförmige Wolfram mit Brom zu einer flüchtigen Verbindung reagiert, resublimiert es nicht an der Glaswand; diese bleibt klar. Die grössere Helligkeit gegenüber einer herkömmlichen Glühlampe wird vor allem durch eine höhere Temperatur der Glühwendel erreicht. Bei dieser höheren Temperatur würde die Wendel einer herkömmlichen Glühlampe durch verstärkte Sublimation von Wolfram sehr schnell dünner werden und schliesslich «durchbrennen». Bei der Halogenlampe dagegen scheidet sich Wolfram durch den Zerfall von Wolframhexabromid auf der heissen Wendel wieder ab. Dies erklärt die höhere Lebensdauer einer Halogenlampe. A 3 Helium wird als Füllgas für Ballone und Zeppeline verwendet. a) Welchen Vorteil besitzt Helium gegenüber Wasserstoff als Füllgas? b) Warum ist Argon hierfür nicht geeignet? a) Im Gegensatz zu Wasserstoff ist Helium nicht brennbar und bildet deshalb auch keine explosiven Gemische mit Luft. (Ein Nachteil von Helium ist allerdings die im Vergleich zu Wasserstoff etwa doppelt so grosse Dichte. Deswegen ist der Auftrieb bei einem Helium-Ballon kleiner.) b) Die Dichte von Argon ist grösser als die von Luft; ein mit Argon gefüllter Ballon könnte gar nicht aufsteigen. Argon ist daher als Füllgas für Ballone und Zeppeline ungeeignet. A 4 An welchen Plätzen im Periodensystem MENDELEJEWS müssten die Edelgase stehen ( Abb. 29)? Die Lösung erhält man durch einen Vergleich von Abb. 29 mit Abb. 31: In Abb. 29 müssten die Edelgase in der Zeile zwischen den Halogenen (F, Cl, Br, I; drittunterste Zeile in Abb. 29) und den Alkalimetallen (Li, Na, K, Rb, Cs; zweitunterste Zeile in Abb. 29) stehen. A 5 Wie lässt sich feststellen, ob zwei geladene Kugeln gleichnamig oder ungleichnamig geladen sind? Man nähert die beiden Kugeln einander an. Wenn sie sich abstossen, sind sie gleichnamig geladen, andernfalls ungleichnamig.
A 6 Der Abstand zwischen einer positiv und einer negativ geladenen Kugel wird verdoppelt. Wie ändert sich die Anziehungskraft zwischen diesen Körpern? Nach dem Coulomb-Gesetz sinkt die Anziehungskraft mit dem Quadrat des Abstands r zwischen den beiden Kugeln: Wird der Abstand verdoppelt (von r auf 2r), so sinkt die Anziehungskraft auf ein Viertel des ursprünglichen Werts. Dies lässt sich mit dem Coulomb-Gesetz auch formal herleiten. Zuerst sei der Abstand r1; für die entsprechende elektrostatische Kraft F1 gilt dann: F 1 = k x ((Q1 x Q2) / r 1 2 ) Nach der Verdopplung des Abstands gilt: r2 = 2r1. Die elektrostatische Kraft ist jetzt: F 2 = k x ((Q1 x Q2) / r 2 2 ) = k x ((Q1 x Q2) /(2r 1) 2 ) = ¼ [k x ((Q1 x Q2) / r 1 2 )] = ¼ F 1 Damit ist gezeigt, dass die Kraft F2 nur noch ein Viertel mal so gross ist wie die Kraft F1. A 7 a) Berechnen Sie die Masse eines Eisenwürfels der Kantenlänge l = 1 m (ρ(eisen) = 7,9 g/cm 3 ). b) Wie gross wäre die Kantenlänge des Würfels, wenn sich nur die Atomkerne der Eisen-Atome dicht aneinanderlagern würden? (Gehen Sie zur Berechnung vereinfachend davon aus, dass sich sowohl die Atome als auch die Atomkerne wie kleine Würfel zusammenlagern würden und dass deren Kantenlängen im Verhältnis 100 000 : 1 stehen.) Welche ungefähre Masse hätte dieser neue Würfel aus Eisen-Atomkernen? c) Berechnen Sie die Dichte dieses neuen Würfels aus Atomkernen. a) Der Eisenwürfel besitzt ein Volumen von V = 1 m 3 = (100 cm) 3 = 10 6 cm 3. Seine Masse ist m = ρ x V = 7,9 g/cm 3 x 10 6 c m 3 = 7,9 x 10 6 g = 7900 kg. b) Die Kantenlänge des Würfels wäre 1 / 100'000 m oder 1 / 100 mm. Da die Masse der Elektronen im Verhältnis zur Masse der Nukleonen vernachlässigbar klein ist, wäre die Masse dieses Würfels ebenfalls ungefähr 7900 kg. c) Das Volumen des Würfels aus Atomkernen ist: (1 cm / 1000) 3 = 10-9 cm 3 Seine Dichte ist: ρ = m / V = 7,9 x 10 6 g / 10-9 cm 3 = 7,9 x 10 15 g/cm 3 A 8 Was kann man über den Bau der Atome eines Elements aussagen, wenn man dessen Ordnungszahl kennt? Die Ordnungszahl eines Elements ist identisch mit der Anzahl Protonen (Kernladungszahl) seiner Atome. Im neutralen Atom ist die Anzahl Protonen wiederum gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle. A 9 α-teilchen sind zweifach positiv geladene Teilchen mit der Masse 4 u. Um welche Atomkerne handelt es sich? α-teilchen sind Helium-Atomkerne; diese sind zweifach positiv geladen, haben die Nukleonenzahl 4 und damit fast genau die Masse 4 u. A 10 Wodurch unterscheidet sich ein Wasserstoff-Atom von einem Deuterium-Atom? Aus den Nuklidsymbolen 1 1H und 2 1H lässt sich folgern, dass das Deuterium-Atom im Unterschied zum Wasserstoff- Atom ein Neutron besitzt. A 11 Notieren Sie die Nuklidsymbole für die in Abb. 42 dargestellten Atomkerne. 1 1H 4 2He 7 3Li 9 4Be 11 5B 12 6C A 12 Ermitteln Sie für die Atome 20 10Ne, 63 29Cu und 197 79Au a) die Kernladungszahl, b) die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen, c) die ungefähre Atommasse in u. a) b) c) 20 10Ne Z = 10 10 p + 10 e - 10 n m(1 Ne) 20 u 63 29Cu Z = 29 29 p + 29 e - 34 n m(1 Cu) 63 u 197 79Au Z = 79 79 p + 79 e - 118 n m(1 Au) 197 u
A 13 Silber ist ein Mischelement und besteht aus den Isotopen 107 47Ag und 109 47Ag. Der Anteil des Isotops mit der kleineren Atommasse beträgt 52,5 %. Berechnen Sie die mittlere Atommasse von Silber-Atomen und vergleichen Sie mit der Angabe im Periodensystem. m( 107 47Ag) = 106,9 u; m( 109 47Ag) = 108,9 u. (52,5 % x 106,9 u) + (47,5% x 108,9 u) = ((52,5 / 100) x 106,9 u) + ((47,5 / 100) x 108,9 u) = 107,85 u Die mittlere Atommasse des natürlichen Isotopengemischs beträgt somit 107,85 u. Dies stimmt ziemlich genau mit dem im Periodensystem angegebenen Wert (107,87 u) überein. Die geringe Abweichung ist auf die Rundungen in den Ausgangswerten zurückzuführen. A 14 Die Halbwertszeit des Nuklids Rn-222 beträgt 3,8 Tage. Nach welcher Zeit sind 75 % der Atomkerne zerfallen? Wenn 75 % der Rn-222-Atome zerfallen sind, so sind 25 %, also ein Viertel (50 % von 50 %), noch unverändert vorhanden. Dies ist der Fall nach Ablauf von zwei Halbwertszeiten: t = 2 x t1/2 = 2 x 3,8 Tage = 7,6 Tage A 15 Im Folgenden sind die aufzuwendenden Energiebeträge (in MJ/mol) für die vollständige Ionisierung der Atome verschiedener Elemente aufgeführt, beginnend mit dem jeweils zuerst entfernten Elektron: Mg: 0,7; 1,5; 7,7; 11; 14; 18; 22; 26; 32; 36; 170; 189. Na: 0,5; 5; 7; 10; 13; 17; 20; 25; 29; 141; 159. C: 1,1; 2,4; 4,6; 6,2; 38; 47. a) Ordnen Sie den einzelnen Beträgen die Nummer des jeweils entfernten Elektrons zu. Das zuerst entfernte Elektron erhält die Nummer 1. b) Übertragen Sie die Werte in ein Diagramm. Abszisse: Elektronennummer, beginnend mit 1; Ordinate: Ionisierungsenergie (1 cm = 10 MJ/mol). Verbinden Sie die zum selben Atom gehörenden Punkte und vergleichen Sie die so erhaltenen Kurven. a) Nummer des Elektrons 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ionisierungsenergie (Mg) 0,7 1,5 7,7 11 14 18 22 26 32 36 170 189 in MJ/mol Ionisierungsenergie (Na) 0,5 5 7 10 13 17 20 25 29 141 159 in MJ/mol Ionisierungsenergie (C) in MJ/mol 1,1 2,4 4,6 6,2 38 47 Bereits in dieser Darstellung werden die Sprünge bei den Werten für die Ionisierungsenergie deutlich (beim Mg-Atom zum Beispiel zwischen dem 2. und 3. sowie zwischen dem 10. und 11. Elektron).
Aus der oben stehenden Grafik ist klar ersichtlich, dass für die Abspaltung der jeweils letzten zwei Elektronen der höchste Energiebetrag erforderlich ist; dieser ist umso grösser, je höher die Kernladung ist. Die beiden letzten Elektronen sind besonders energiearm, da ihr Abstand zum Atomkern am kleinsten ist. Die Ionisierungsenergien dieser Elektronen sind durch einen deutlichen «Energiesprung» von den Ionisierungsenergien der restlichen Elektronen getrennt. Somit gehören diese Elektronen einer anderen Energiestufe an als die restlichen Elektronen. Bei der vollständigen Ionisierung des Kohlenstoff-Atoms tritt nur ein «Energiesprung» auf. Die Elektronen des Kohlenstoff- Atoms lassen sich also zwei verschiedenen Energiestufen zuordnen. Bei der vollständigen Ionisierung des Natriumbzw. Magnesium-Atoms gibt es zusätzlich einen «Energiesprung» nach der Entfernung des ersten bzw. zweiten Elektrons. Die Elektronen des Natrium- und Magnesium-Atoms lassen sich damit drei verschiedenen Energiestufen zuordnen.
A 16 a) Welche Gemeinsamkeiten haben die Hüllen der Atome, die in Abb. 63 jeweils untereinander stehen? b) Welche Gemeinsamkeiten bestehen bei den Atomen, die in einer Reihe (nebeneinander) stehen? a) Die Hüllen der Atome, die in Abb. 63 untereinander stehen, haben dieselbe Anzahl Elektronen auf der äussersten Schale. b) Die Hüllen der Atome, die in den Zeilen nebeneinander stehen, weisen dieselbe Anzahl Schalen auf. A 17 Welches Atom hat die grössere 1. Ionisierungsenergie: das Kalium-Atom oder das Lithium-Atom? Begründen Sie. Antwort: Das Lithium-Atom. Begründung: Das Lithium-Atom hat zwei Schalen weniger als das Kalium-Atom. Der Abstand zwischen dem Atomkern und dem Valenzelektron ist beim Lithium-Atom daher kleiner; somit ist das Elektron energieärmer. Für die Abspaltung des Valenzelektrons muss somit beim Lithium-Atom mehr Energie aufgewendet werden als beim Kalium- Atom, das heisst, die 1. Ionisierungsenergie ist beim Lithium-Atom grösser als beim Kalium-Atom. A 18 Ermitteln Sie mit Hilfe des Periodensystems die Anzahl Valenzelektronen folgender Atome: K, Ba, Al, O, P, Cl, Ne. K: 1 Ba: 2 Al: 3 O: 6 P: 5 Cl: 7 Ne: 8 A 19 Geben Sie mit Hilfe des Periodensystems die Rumpfladung folgender Atome an: Mg, Li, C, S, F. Mg: 2+ Li: 1+ C: 4+ S: 6+ F: 7+ A 20 Bei chemischen Reaktionen geben Metall-Atome in der Regel sämtliche Valenzelektronen ab. In Kap. 6.1 haben wir gesehen, dass die Reaktionsfähigkeit der Alkalimetalle und der Erdalkalimetalle mit steigender Atommasse zunimmt. Wie ist diese Zunahme zu erklären? Die Atome der Alkali- und Erdalkalimetalle haben mit zunehmender Atommasse mehr Schalen. Die Valenzelektronen werden umso schwächer gebunden, je weiter diese Elektronen vom Atomkern entfernt sind, je grösser also die Anzahl Schalen ist. Dies erklärt, dass die Reaktionsfähigkeit der Alkali- und Erdalkalimetalle mit steigender Masse (und damit Schalenanzahl) ihrer Atome zunimmt. A 21 Bei chemischen Reaktionen füllen Nichtmetall-Atome ihre Valenzschale durch Aufnahme zusätzlicher Elektronen. In Kap. 6.1 haben wir gesehen, dass die Reaktionsfähigkeit der Halogene mit steigender Atommasse abnimmt. Wie ist diese Abnahme zu erklären? Halogen-Atome nehmen umso leichter ein zusätzliches Elektron auf, je weniger Schalen sie besitzen. Die stärksten elektrostatischen Anziehungskräfte auf die Valenzelektronen wirken beim Fluor-Atom, das nur eine innere Schale besitzt. Das Fluor-Atom nimmt am leichtesten ein zusätzliches Elektron auf. Fluor ist daher das reaktionsfähigste Halogen. Mit steigender Atommasse nimmt die Anzahl Schalen zu; zusätzliche Elektronen werden weniger leicht aufgenommen. Die Reaktionsfähigkeit der Halogene nimmt daher mit steigender Atommasse ab. A 22 Welche Gemeinsamkeiten besitzen die Atome a) derselben Hauptgruppe, b) derselben Periode? a) Die Atome, die in derselben Hauptgruppe untereinander stehen, besitzen jeweils dieselbe Anzahl Valenzelektronen. b) Die Atome, die in derselben Periode stehen, besitzen jeweils dieselbe Anzahl Schalen. A 23 Wodurch unterscheidet sich ein Helium-Atom von den übrigen Edelgas-Atomen? Im Unterschied zu den übrigen Edelgas-Atomen, die alle acht Valenzelektronen besitzen, sind in der Valenzschale des Helium-Atoms nur zwei Elektronen vorhanden. Dies ist die maximale Anzahl der Elektronen in der ersten Schale.
A 24 Wasserstoff ist ein Nichtmetall, steht aber wie die Alkalimetalle in der ersten Hauptgruppe. a) Was spricht für diese Einteilung? b) Wie ist es mit dem Bau der Wasserstoff-Atome zu erklären, dass Wasserstoff kein Metall ist? a) Wasserstoff-Atome haben (wie die Alkalimetall-Atome) ein Valenzelektron. b) Obwohl Wasserstoff- und Alkalimetall-Atome die gleiche Anzahl Valenzelektronen aufweisen, ist der Wasserstoff ein typisches Nichtmetall. Die Sonderstellung des Wasserstoffs ist darauf zurückzuführen, dass das Elektron des Wasserstoff-Atoms durch die Nähe des Atomkerns wesentlich stärker angezogen wird als das Valenzelektron eines Alkalimetall-Atoms. Dies bestätigt ein Vergleich der Ionisierungsenergie des Wasserstoff Atoms mit den Ionisierungsenergien der Alkalimetall-Atome in Abb. 69. Darüber hinaus ist das Wasserstoff-Atom das einzige Atom, bei dem nach Abspaltung eines Elektrons nur noch der Atomkern übrig bleibt, der zudem ja viel kleiner ist als das ganze Atom. Bei keinem anderen Atom hat die Abspaltung eines Elektrons eine derart extreme Grössenänderung zur Folge.
Lösungen zum Kapitel «Überprüfung und Vertiefung» Ü 1 Nennen Sie Eigenschaften einiger Edelgase. Welche Verwendungsmöglichkeiten ergeben sich daraus? Die meisten Verwendungsmöglichkeiten für Edelgase ergeben sich aus deren Reaktionsträgheit. Gekoppelt an die jeweiligen spezifischen Eigenschaften ergibt sie spezielle Anwendungen für die einzelnen Elemente. Beispiel Helium: Geringere Dichte als Luft, daher Füllgas für Ballone. Beispiel Argon: Ihre grössere Dichte als Luft und ihr relativ grosser Anteil in der Luft (günstiger Preis!) führen zur Verwendung als Schutzgas beim Schweissen. Ü 2 Im System der Elemente von MENDELEJEW aus dem Jahr 1869 steht hinter der Atommasse von Tellur (Te) ein Fragezeichen. Nennen Sie mögliche Gründe. An dieser Stelle im Periodensystem der Elemente kollidieren seine beiden Ordnungsprinzipien (Anordnung nach steigender Atommasse und gleichzeitig nach chemischer Verwandtschaft): Die Atommasse von Tellur ist grösser als die Atomasse von Iod. Erklärung: Iod ist ein Reinelement; das einzige in der Natur vorkommende Iod-Nuklid ist 129 I. Tellur dagegen ist ein Mischelement; den grössten Anteil an natürlichem Tellur bildet zu ungefähr einem Drittel das Isotop 130 Te, gefolgt vom Isotop 128 Te. Die durchschnittliche Atommasse (gewichtetes Mittel) der natürlichen Tellur-Isotope beträgt 127,60 u. Die Atome des Reinelements Iod haben dagegen eine etwas kleinere Masse (sie beträgt 126,91 u). Ü 3 DALTON definierte ein Element als einen Stoff, der aus lauter gleichen Atomen besteht. Diese Definition lässt sich heute nicht mehr aufrechterhalten. Wie lautet die moderne Definition des Elementbegriffs? Die moderne Definition lautet: Ein Element ist ein Stoff, dessen Atome alle dieselbe Protonenzahl besitzen. Erläuterung: Die Anzahl der Elektronen ist bei einem (neutralen) Atom immer gleich der Protonenzahl. Da die Elektronen das chemische Verhalten der Atome bestimmen, ist somit die Protonenzahl für die Elementzugehörigkeit entscheidend. Die Atome eines Elements können sich jedoch in der Neutronenzahl unterscheiden: Nuklide mit derselben Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope. Ü 4 Das Edelgas Radon ist radioaktiv. Durch den Zerfall von Radon-Atomen, aus denen dadurch neue Atome entstehen, verringert sich die Masse einer Radonportion ständig. In Abb. 68 ist diese Massenabnahme dargestellt. Welche Halbwertszeit lässt sich dem Diagramm entnehmen? Welcher Bruchteil der Ausgangsmasse liegt nach drei Halbwertszeiten noch vor? Es dauert gemäss Abb. 68 etwa 50 Sekunden, bis die ursprünglich vorhandene Masse m0 zur Hälfte zerfallen ist. Die Halbwertszeit t1/2 von 220 Rn ist somit 50 Sekunden. Für die nach Ablauf von drei Halbwertszeiten noch vorhandende Masse m des ursprünglichen Nuklids gilt: m (3 t ½) = m0 x (½) x (½) x (½) = m0 x (½) 3 = m0 x 1/2 3 = m0 x 1/8 Nach drei Halbwertszeiten liegt also nur noch ein Achtel der Ausgangsmasse vor. Ü 5 Beim Zerfall des Radon-Atoms 220 Rn wird ein α-teilchen ausgesandt. Bezeichnen Sie den dabei zurückbleibenden Atomkern mit der Schreibweise A ZX. Ein α-teilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, also 4 Nukleonen. Der beim Zerfall des Radon-Atoms 220 Rn zurückbleibende Atomkern hat somit nur noch 220 4 = 216 Nukleonen. Dem Periodensystem lässt sich entnehmen, dass der Kern eines Radon-Atoms 86 Protonen enthält. Da beim Zerfall mit einem α-teilchen zwei Protonen ausgesandt werden, bleiben noch 86 2 = 84 Protonen übrig; dies entspricht der Protonenzahl von Polonium. Der zurückbleibende Atomkern ist somit 216 86Po. Ü 6 Bezeichnen und vergleichen Sie die beiden Nuklide mit der Nukleonenzahl 14 und den Ordnungszahlen 6 und 7: Geben Sie für die beiden Nuklide die Nuklidschreibweise und die Anzahl aller Elementarteilchen an. Die betreffenden Nuklide sind 14 6C und 14 7N. Sie unterscheiden sich in der Anzahl der Protonen, Elektronen und Neutronen: 14 6C: 6 p + 6 e - 8 n; 14 7N: 7 p + 7 e - 7 n
Ü 7 Das Element Chlor besteht aus zwei Isotopen mit den Massen 35 u und 37 u. Die mittlere Atommasse beträgt 35,5 u. Berechnen Sie den Anteil der beiden Isotope im Element. Den unbekannten Anteil an 35Cl bezeichnen wir mit x %, denjenigen an 37Cl mit y %. Das gewichtete Mittel berechnet sich damit wie folgt: (a / 100) x 35 u + (b / 100) x 37 u = 35,5 u Da die Summe 100 % ergeben muss, gilt: a + b = 100 bzw. b = 100 a. Setzen wir dies in die obige Gleichung ein, erhalten wir: (a / 100) x 35 u + ((100 a) / 100) x 37 u = 35,5 u x 100 a x 35u + (100 a) x 37 u = 3550 u 35a + 3700-37a = 3550-2a = -150 a = 75 Damit ist b = 100 75 = 25. Ergebnis: Der Anteil an 35 Cl beträgt 75 %, der Anteil an 37 Cl beträgt 25 %. Ü 8 Warum unterscheiden sich die Ionisierungsenergien für die beiden Elektronen des Helium-Atoms, obwohl sie zur selben Energiestufe gehören? Wird ein Elektron aus einem Helium-Atom abgespalten, entsteht ein He + -Ion. Obwohl das noch vorhandene Elektron zur gleichen Energiestufe gehört, muss zu seiner Abspaltung eine höhere Energie aufgewendet werden, da die Abspaltung gegen die stärkere Anziehung des positiven Ions erfolgt. Ü 9 Geben Sie detailliert an, woraus der Rumpf eines Atoms von 35 17Cl besteht (Art der Elementarteilchen und Anzahl). Geben Sie auch die Rumpfladung an. p + : 17 n: 18 e - :10 Ladung: 7+ Erklärung: Die Anzahl Protonen ist gleich der Kernladungszahl Z, in diesem Fall Z = 17. Die Anzahl Neutronen N ergibt sich durch Subtraktion der Protonenzahl Z von der Nukleonenzahl (N = A Z). In diesem Fall N = 35 17 = 18. Beim neutralen Chlor-Atom ist die Anzahl Elektronen gleich der Anzahl Protonen und beträgt damit ebenfalls 18. Der Rumpf ist das Atom ohne die Valenzelektronen. Da das Chlor-Atom 7 Valenzelektronen hat, ist die Anzahl Elektronen im Rumpf 17 7 = 10. Da Anzahl der Protonen im Rumpf um 7 grösser ist als die Anzahl der Elektronen, ist die Ladung des Rumpfs 7+. Ü 10 Geben Sie die genaue Zusammensetzung von Fluorid-Ionen (F - ) an, das heisst Anzahl Protonen, Neutronen und Elektronen. p + : 9 n: 10 e - :10 Ladung: 1- Erklärung: Die Anzahl Protonen ist gleich der Ordnungszahl von F im Periodensystem, also 9. Die Atommasse von Fluor ist 19,00 u; diese Masse entspricht der Summe der Massen aller Protonen und Neutronen, die eine Masse von je etwa 1 u haben. Die Anzahl Neutronen ergibt sich daher durch Subtraktion der Protonenzahl von der (gerundeten) Atommasse: 19 9 = 10. (Die Aufgabe ist nur deshalb lösbar, weil Fluor ein Reinelement ist. In der Natur tritt also nur eine Sorte von Fluor-Atomen auf.) Das Fluorid-Ion F - hat ein Elektron mehr als das neutrale Fluor-Atom, das 9 Elektronen besitzt. Die Anzahl Elektronen ist also 9 + 1 = 10. Ü 11 Geben Sie die Ladung folgender Teilchen an: a) Elektron, b) α-teilchen, c) Atomkern von 35 17Cl, d) Rumpf eines Calcium-Atoms. a) 1 b) 2+ c) 17+ d) 2+
Ü 12 Ein Elektron wird vom Kern umso stärker angezogen, je grösser dessen Ladung ist. Man würde daher erwarten, dass die 1. Ionisierungsenergie mit steigender Kernladungszahl der Atome gleichmässig zunimmt. Durch die experimentell ermittelten Ionisierungsenergien wird diese Erwartung jedoch nur zum Teil bestätigt. In Abb. 69 erkennen wir, dass die 1. Ionisierungsenergien bis zu den Edelgas- Atomen jeweils tendenziell zunehmen, bei den darauf folgenden Alkalimetall- Atomen jedoch stark abfallen. Geben Sie dafür eine Erklärung. Die 1. Ionisierungsenergie eines Alkalimetall-Atoms ist deutlich kleiner als diejenige eines Edelgas-Atoms mit einer um 1 kleineren Protonenzahl, da das betreffende Elektron aus einer weiter aussen liegenden Schale abgetrennt wird. Die generelle Zunahme der Ionisierungsenergien von den Atomen der Alkalimetalle bis zu den Atomen der Halogene derselben Periode lässt sich mit der Zunahme der Kernladung bei gleich bleibender Schalenanzahl bzw. mit der Zunahme der Rumpfladung erklären. Ü 13 Vergleichen Sie Abb. 70 mit Abb. 69. Welche Unterschiede bestehen? Geben Sie dafür eine Erklärung. Beide Kurven zeigen einen prinzipiell gleichen Verlauf. In Abb. 70 treten die charakteristischen Minima jeweils erst bei der um 1 erhöhten Kernladungszahl auf. Während zum Beispiel vom Neon- zum Natrium-Atom in Abb. 69 der starke Abfall in der Ionisierungsenergie dadurch bedingt ist, dass sich das 11. Elektron beim Natrium-Atom in einer höheren Schale befindet, fällt die Ionisierungsenergie in Abb. 70 erst beim Mg + -Ion ab (Kernladungszahl 12). (Da das Diagramm in Abb. 70 die 2. Ionisierungsenergie darstellt, handelt es sich immer um die Ionisierung der einfach positiv geladenen Ionen.) Das durch die zweite Ionisierung entfernte Elektron ist beim Magnesium-Atom dasjenige mit der Nummer 11. Es befindet sich im Vergleich zu den Elektronen der vorausgehenden Atome in einer höheren Schale. Aus dem Mg + -Ion bildet sich bei der Ionisierung das Mg 2+ -Ion. Ü 14 Abb. 71 zeigt den Durchmesser der Atome der Hauptgruppenelemente der ersten drei Perioden. Wie ist es zu erklären, dass die Atomdurchmesser a) innerhalb der Gruppen von oben nach unten zunehmen, b) innerhalb der Perioden von links nach rechts abnehmen? a) Für die Zunahme der Atomdurchmesser innerhalb einer Gruppe von oben nach unten ist die Zunahme der Schalenanzahl verantwortlich. b) Die Abnahme der Atomdurchmesser innerhalb einer Periode erklärt sich durch die Zunahme der Kernladung bei gleich bleibender Schalenanzahl. Innerhalb einer Periode bleibt die Anzahl Schalen gleich, die Kernladungszahl sowie die Anzahl Elektronen nimmt jedoch von links nach rechts zu. Daher wird auch die Anziehung zwischen dem Atomkern und der Elektronenhülle stärker; als Folge davon nimmt der Atomdurchmesser ab.