Bundesrealgymnasium Imst Chemie 2010-11 Periodensystem de Elemente Dieses Skriptum dient der Unterstützung des Unterrichtes - es kann den Unterricht aber nicht ersetzen, da im Unterricht der Lehrstoff detaillierter aufgearbeitet wird, als dies im Skriptum der Fall ist. Ergänzungen zum Skriptum werden während des Unterrichts durchgeführt. In diesem Skriptum sind nur wenige Diagramme und Zeichnungen enthalten. Die fehlenden Diagramme werden im Unterricht erarbeitet. Inhalt 3... 7 3.1 Historische Entwicklung... 7 3.2 Aufbau der Atome... 7 3.2.1 Der Atomkern... 8 3.2.2 Die Atomhülle... 8 3.3 Elektronenkonfiguration... 8 3.4 Ionen, geladene Atome... 9 4 Periodensystem der Elemente (PSE)... 9 4.1 Entwicklung des Periodensystems... 9 4.2 Aufbau des PSE... 9 4.3 Periodische Eigenschaften im PSE... 10
3 3.1 Historische Entwicklung Schon im griechischen Altertum ca. 400 v. Chr. prägten die griechischen Philosophen Leukipp und sein Schüler Demokrit den Begriff atomos das Unteilbare. Er begründete damit die Vorstellung, dass die Materie aus kleinsten, nicht weiter teilbaren Teilchen den Atomen besteht. Seine Vorstellungen waren philosophischer Natur, naturwissenschaftliche Methoden standen nicht zur Verfügung. Nachdem die Philosophie Demokrits für 2000 Jahre von anderen Vorstellungen verdrängt war, griff der Engländer John Dalton (1766 1844) zu Beginn des 19. Jh. Die Atomhypothese wieder auf. Er erkannte, dass sich seine Beobachtungen über Massenverhältnisse bei chemischen Reaktionen gut mit der Vorstellung erklären ließen, die Materie bestehe aus unteilbaren kleinsten Einheiten. Jedem Element ordnete er ein bestimmtes Atom zu. Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Größe und Masse. Die Massenverhältnisse finden sich wieder in den Massenverhältnissen bei chemischen Vorgängen. Die Vorstellung von unteilbaren Atomen kam durch die Entdeckung der Radioaktivität 1896 durch Antoine Henri Becquerel ins Wanken. Radioaktive Strahlen sind Atombruchstücke. Daher können Atome nicht unteilbar sein. 3.2 Aufbau der Atome 1911 führte Ernest Rutherford die nach ihm benannten Rutherfordschen Streuversuche durch. Dabei bestrahlte er eine dünne Goldfolie mit α-strahlen (positiv geladene Kerne von Heliumatomen). Er konnte dabei feststellen, dass fast alle α-strahlen die Folie ungehindert durchdrangen. Er hatte jedoch erwartet, dass die Teilchen von den kompakten Atomen reflektiert würden. Da die kleinen Teilchen hindurchtreten konnten, mussten die Atome leere Räume haben. Rutherford schloss aus seinen Experimenten, dass die gesamte Masse des Atoms im sehr kleinen Kern lokalisiert sein muss und die Hülle fast leeren Raum darstellt. Die Ladung des Kerns ist positiv. Zur Neutralisation dieser positiven Ladung bedarf es jedoch negativ geladener Elektronen in der Atomhülle, denn das Atom ist nach außen hin elektrisch neutral. Es entstand ein einfaches Kern-Hülle Modell. Obwohl der massereiche Kern genau so viel Protonen enthält wie die Hülle Elektronen, ist die Hülle 100000 mal größer als der Atomkern. Dieses Modell gilt in der Physik als erstes wissenschaftliches Atommodell. Seite 7
Aufgrund der Ergebnisse der Atomspektroskopie entwickelten Niels Bohr und Arnold Sommerfeld ein modernes Atommodell. Nach Bohr umkreisen die Elektronen den Atomkern auf vorgegebenen Bahnen (Schalen). Den einzelnen Bahnen des Bohrschen Atommodells werden Energieniveaus zugeordnet. 1913 stellte Bohr sein Schalenmodell für ein Wasserstoffatom auf. Sommerfeld erweiterte das Modell dahingehend, dass Elektronenn sich außer auf Kreisbahnen auch auf Ellipsenbahnen bewegen können. 3.2.1 Der Atomkern Im Inneren eines jeden Atoms befindet sich der Atomkern. In ihm konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms (99,95 %) auf kleinstem Raum (10-10 % des Atomvolumens). Der Rest des Atoms ist praktisch leer. Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, den Nukleonen. Protonen sind elektrisch positiv geladene Teilchen. Sie besitzen die Masse 1. Für Protonen wird das Symbol p + verwendet. Die Anzahl der Protonen im Atomkern und somit auch die Anzahl der positiven Ladungen wird als Kernladungszahl bezeichnet. Die Anzahl der Protonen ist charakteristisch für ein Element. Alle Atome eines Elements besitzen immer die gleiche Anzahl von Protonen. Diese Anzahl ist auch die Ordnungszahl, unter der es im Periodensystem zu finden ist. Neutronen sind elektrisch neutral. Wie die Protonen besitzen sie die Masse 1. Sie werden durch den Buchstaben n symbolisiert. Zusammen mit den Protonen bilden sie die relative Atommasse. Im Gegensatz zu den Protonen können zwei Atome desselben Elements eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen aufweisen. Diese unterschiedlichh schweren Atome eines Elements werden als Isotope bezeichnet. 3.2.2 Die Atomhülle Das Volumen eines Atoms entsteht durch die Atomhülle. Sie wird durch die negativ geladenen Elektronen gebildet, für die das Symbol e - verwendet wird. Die Masse eines Elektrons beträgt 1/1836 der Masse eines Protons, weshalb die Elektronen für die Masse eines Atoms unbedeutend sind. Die Ladung eines Elektrons ist genau so groß wie die Ladung eines Protons, hat aber ein umgekehrtes Vorzeichen. Bei neutralen Atomen müssen sich die Anzahl der positiven Ladungen im Kern und der negativen Ladungen in der Schale genau ausgleichen. D. h. die Anzahl von Protonen und Elektronen muss gleich sein. 3.3 Elektronenkonfiguration Nach dem Bohr schen Atommodell bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Atomkern. Diese Bahnen entsprechen einem bestimmten Energiezustand bzw. Energieniveau und werden als Elektronenbahnen bezeichnet. Die erste Schale, die dem Atomkern am nächsten ist, ist die K-Schale. Die Elektronen dieser Schale haben das niedrigste Energieniveau und werden mit der Hauptquantenzahl n = 1 charakterisiert. In der zweiten Schale (L-Schale) besitzen die Elektronen eine höhere Energie. Noch höhere Energien besitzen die Elektronen der 3. Schale (M-Schale, n = 3) bzw. der 4. Schale (N-Schale, n = 4) usw. Alle für die Chemie wichtigen Eigenschaftender Atome haben ihren Ursprung in der Elektronenhülle. Die chemische Bindung ist eine Veränderung der äußersten Teile der Elektronenhülle. Der Atomkern ist bei chemischen Vorgängen nicht veränderbar. Seite 8
Die Anzahl der Elektronen ist in jeder Schale begrenzt. In der innersten K-Schale haben maximal 2 Elektronen Platz. In allen anderen Schalen 8. Jedes Atom ist bestrebt, seine äußerste Schale mit Elektronen voll zu besetzten Oktettregel. Elektronen, die sich in der äußersten Bahn befinden, werden als Valenzelektronen bezeichnet, die äußerste Schale selbst als Valenzschale. 3.4 Ionen, geladene Atome Ein Atom, das eine positive oder negative Ladung trägt, wird als Ion bezeichnet. Eine positive Ladung entsteht, wenn dem Atom ein Elektron weg genommen wird. Dabei nimmt die Anzahl der negativen Ladungen ab, die Anzahl positiver Ladungen bleibt gleich. Hat ein Atom mehr Elektronen als Protonen, trägt es eine negative Ladung. Die Schreibweise für ein Ion erfolgt so, dass rechts oben am Elementsymbol die Anzahl der negativen bzw. positiven Ladungen angegeben wird. So ist Mg 2+ ein zweifach positiv geladenes Magnesiumion und F - ein einfach negativ geladenes Fluoridion. Negativ geladene Ionen, die nur aus einem Atom bestehen, erhalten bei der Namensgebung die Endsilbe id. z. B. H- Hydridion Cl- Chloridion F- Fluoridion Metallatome besitzen wenige Valenzelektronen. Werden diese abgegeben, kommt die darunter liegende vollbesetzte Schale zum Vorschein. Somit erreichen diese Elemente die Edelgaskonfiguration. Diese positiv geladenen Ionen werden als Kationen bezeichnet. Metallatome sind Elektronenspender (Elektronendonatoren) Nichtmetallatomen fehlen nur wenige Elektronen, um die Valenzschale auf acht Elektronen aufzufüllen. 4 Periodensystem der Elemente (PSE) 4.1 Entwicklung des Periodensystems Mitte des 19. Jh kannte man ca. 50 Elemente. Die Atommassen waren mehr oder weniger bekannt und zunehmend wurde versucht, Zusammenhänge zwischen den einzelnen Elementen abzuleiten. 1869 erkannte Dimitri I. Mendelejew, dass sich viele Eigenschaften periodisch mit der Atommasse ändern und ordnete die Elemente konsequent in Gruppen mit ähnlichen Eigenschaften. Die Lücken des so entstandenen Periodensystems füllte Mendelejew mit Elementen, die noch nicht entdeckt waren und formulierte deren Eigenschaften. Im gleichen Jahr wurde von L. Meyer ein sehr ähnliches Modell aufgestellt und die entstandenen Lücken wurden auch von ihm durch nicht bekannte Elemente aufgefüllt. Durch die vorausgesagten Eigenschaften für die Elemente wurde ein gezieltes Suchen möglich und die fehlenden Elemente. Wurden nach und nach entdeckt. 4.2 Aufbau des PSE Mit unserem heutigen Wissen über den Atomaufbau ist eine exakte Erklärung des Periodensystems möglich. Das Ordnungsprinzip ist nicht die Atommasse, sondern auf die Kernladungszahl, die daher auch Ordnungszahl genannt wird. Zwar ist eine Reihung nach steigender Masse meist identisch mit der Reihung nach der Ordnungszahl, es gibt aber Ausnahmen, die sich mit der Neutronenzahl der natürlich vorkommenden Nuklide erklären lassen. Da die Ordnungszahl auch die Anzahl der Elektronen angibt, hat bei einer solchen Reihung das nächstfolgende Element immer genau ein Elektron mehr als das vorhergehende. Der Aufbau des PSE wird durch die Anordnung der Elektronen in der Atomhülle bestimmt. Seite 9
Im PSE unterscheidet man Perioden (Zeilen im PSE) und Gruppen (Spalten im PSE). Die Elemente einer Gruppe zeigen ähnliche chemische Eigenschaften und haben ähnlich aufgebaute Elektronenhüllen. Abb. 4-1: Grundlegender Aufbau des Periodensystems. Das PSE umfasst 18 Gruppen sowie die Lanthanoide und Actiniden, die aus Platzgründen meist unterhalb des PSE angeschrieben werden. Einige Gruppen werden üblicherweise mit folgenden Namen bezeichnet: Alkalimetalle sind die Elemente ente der ersten Hauptgruppe (ohne Wasserstoff). Sie bilden mit Wasser stark basische Lösungen. Erdalkalimetalle sind die Elemente der zweiten Gruppe. Halogene sind die Elemente der 17. Gruppe bzw. 7. Hauptgruppe. Sie bilden mit Metallen Salze. Das Wort Halogen bedeutet Salzbildner. Edelgase sind die Elemente der 18. Gruppe. Sie sind sehr reaktionsträge. Abb. 4-2: Detaillierte Struktur des PSE. 4.3 Periodische Eigenschaften im PSE Gesetz der Periodizität: Die nach ihrer Protonenzahl (Kernladungszahl, Ordnungszahl) geordneten Elemente weisen eine Periodizität der Eigenschaften auf. Seite 10
Atomradius: Der Atomradius und damit die Größe eines Atoms ist davon abhängig, wie weit die äußersten Elektronen vom Kern entfernt sind und wie viele Elektronen sich in der äußersten Schale (Valenzschale) befinden. Im PSE nimmt die Anzahl der Valenzelektronen von links nach rechts zu. Dadurch steigt die Anzahl der Ladungen und somit die elektrische Anziehungskraft zwischen dem positiven Kern und den negativen Elektronen. Die Atome werden kleiner. Innerhalb einer Gruppe nimmt nach unten die Anzahl der Schalen und somit der Abstand der Valenzelektronen zum Atomkern zu. Mit zunehmender Entfernung nimmt die anziehende Kraft ab. Abb. 4-3: Änderung der Atomradien von Elementen der 1., 2. und 7. Hauptgruppe. Die zunehmende Stärke der elektrischen Felder bei zunehmender Anzahl an Ladungen führt im Atom dazu, dass die Valenzelektronen näher am Kern sind. Elektronegativität: Je kleiner ein Atom ist, desto näher kann es einem anderen Atom kommen. Je näher ein Atom an die Valenzelektronen eines anderen kommt, desto stärker ist die Anziehung zu den fremden Elektronen. Diese Kraft, anderen Atomen ihre Valenzelektronen zu entfernen, wird als Elektronegativität bezeichnet und steht in direktem Zusammenhang zum Atomradius. Sie nimmt in einer Periode von links nach rechts zu und in einer Gruppe von oben nach unten ab. Aufgaben: 1. Wie viele Protonen haben die Elemente Kupfer, Krypton und Gold? Was weißt du dadurch über die Anzahl der Elektronen dieser Elemente? 2. Warum spricht man beim Kohlenstoff von C-12, C-13 und C-14? Woher kommen diese Namen? 3. Betrachte das Periodensystem der Elemente und versuche es mit eigenen Worten zu beschreiben. Was kannst du entschlüsseln? 4. Welche Elemente befinden sich in der 2. Gruppe? Welch in der 17. Und 18. Gruppe? Welche davon kennst du? 5. Einige der 18 Gruppen haben einen Namen erhalten. Wie lauten diese? 6. Wie viele Außenelektronen besitzt Schwefel? 7. Welche Elemente besitzen in ihrer Valenzschale 7 Elektronen? 8. Welche Elemente haben eine voll besetzte Valenzschale? Wie nennt man sie und wie viele Elektronen haben sie in der Außenschale? 9. Wie viele Schalen hat das Element Iod? Wie viele Valenzelektronenn hat es? Ist es ein Metall oder Nichtmetall? Seite 11