D e r A t o m b a u 1. Atommodelle 2 1.1. Modelle des täglichen Lebens: 2 1.2. Das DALTON-Modell (1804): 2 1.3. Das THOMSON-Modell (1890): 2 AB: Atommodelle 3 Folie: Das DALTON-und das THOMSON-Modell 4 2. Die Radioaktivität 5 2.1. Entdeckung der Radioaktivität 5 2.2. Halbwertszeit: 5 2.3. Zerfallskurve: 5 2.4. Stärke radioaktiver Stoffe: 5 AB: Radioaktivität 6 Folie: RUTHERFORD (1903) 7 3. Das Atommodell von Rutherford 8 3.1. Der RUTHERFORDsche Streuversuch 8 3.2. RUTHERFORDs Atommodell 8 AB: Der RUTHERFORDsche Streuversuch 9 Folie: RUTHERFORD 1 2 10 Folie: RUTHERFORD 3 4 11 Folie: RUTHERFORD 5 6 12 Folie: RUTHERFORD 7 8 13 4. Der Atomkern 14 4.1. Das Wasserstoffatom (Atommasse = 1u) 14 4.2. Das Heliumatom (Atommasse = 4u) 14 4.3. Das Lithiumatom (Atommasse = 7u) 14 4.4. Atombausteine 14 5. Isotope 15 5.1. Reinelemente (20 Elemente) 15 5.2. Mischelemente (alle anderen) 15 5.3. Wichtige Elemente mit Isotopen 15 6. Der Aufbau der Atomhülle 16 6.1. Die Ionisierung 16 6.2. Die Ionisierungsenergie 16 Folie: Ionisierungsenergien 17 Folie: Ionisierungsenergien in MJ/mol 18 6.3. Verteilung der Elektronen in der Atomhülle 19 AB: Die Atomhülle 20 7. Der Aufbau d. Atomhülle 21 7.1. Atombau und Atomgröße 21 7.2. Die LEWIS-Schreibweise 21 Folie: Hotel Elektronenschale 22 Folie: Atomradien 23 AB: Die LEWIS-Schreibweise 24 7.3. Atombau und chemische Eigenschaften 25 7.4. Edelgasregel 25 AB: Die Edelgasregel 26 AB: Atomhülle - LEWIS - Edelgasregel 27 Anmerkung: es gibt kaum Quellenangaben, diese Materialien sind ausschließlich zur Nachbereitung meines Unterrichts vorgesehen, nicht für eine weitere Veröffentlichung. Bei den Seiten mit dem Unterrichtsgang stehen links die Regieanweisungen (Symbole hoffentlich selbsterklärend) und rechts der Tafelanschrieb. Der Atombau 1
Themen/Lernziele: Modelle in der Wissenschaft Dalton-Atommodell: Leistungen u. Grenzen C. Der Atombau 1. Atommodelle 1.1. Modelle des täglichen Lebens: verkleinertes oder vergrößertes Abbild der Wirklichkeit Modelle in der Wissenschaft: - sind Vorstellungshilfen - sind nicht wahr oder falsch sondern brauchbar oder unbrauchbar - werden aufgrund neuer Forschungsergebnisse entweder erweitert oder verfeinert oder aber durch neue ersetzt - Modelle haben bestimmte Leistungen aber auch Grenzen. Folie Wdh. V V Aggregatzustände Gesetz v. d. Erhaltung der Masse AVOGADRO DALTON-Modell irgendetwas mit Strom Kunststoffstab reiben! 1.2. Das DALTON-Modell (1804): DALTON: Modell der kleinsten Teilchen. (geht auf DEMOKRIT (ca. 400 v Chr.) zurück/atomos). Atome sind kompakt, einheitlich und unteilbar. Sie besitzen eine bestimmte Masse und Größe. Leistungen: - erklärt die Aggregatzustände u. ihre Übergänge - Gesetz der Erhaltung der Masse - chemische Reaktion = Umgruppierung von Atomen - deutet Satz von AVOGADRO. Grenzen: - keine Erklärung von elektrischer Ladung - keine Erklärung für den Zusammenhalt in Verbindungen neue Erkenntnisse: - negative Ladungen müssen leicht beweglich und leicht aus dem Atom ablösbar sein. Folie THOMSON-Modell 1.3. Das THOMSON-Modell (1890): Atome enthalten gleich viele positive wie negative Ladungen. Die positive Ladung ist an die Hauptmasse des Atoms gebunden, die negative Ladung (Elektronen) ist im Atom gleichmäßig verteilt und an sehr wenig Masse gebunden. Leistungen: - erklärt Ladungen durch Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen - erklärt Zusammenhalt von Feststoffen durch Anziehung zwischen positiv und negativ geladenen Teilchen. Grenzen: - viele chemischen Eigenschaften noch nicht erklärbar - keine Erklärung der Radioaktivität. neue Erkenntnisse: - Entdeckung der Radioaktivität (1895). Der Atombau 2
AB: Chemie Atommodelle Atombau 1. Atommodelle 1.1. Modelle des täglichen Lebens: verkleinertes oder vergrößertes Abbild der Wirklichkeit Modelle in der Wissenschaft: - sind Vorstellungshilfen - sind nicht wahr oder falsch sondern brauchbar oder unbrauchbar - werden aufgrund neuer Forschungsergebnisse entweder erweitert oder verfeinert oder aber durch neue ersetzt - Modelle haben bestimmte Leistungen aber auch Grenzen. 1.2. Das DALTON-Modell (1804): DALTON: Modell der kleinsten Teilchen. (geht auf DEMOKRIT (ca. 400 v Chr.) zurück/atomos). Atome sind kompakt, einheitlich und unteilbar. Sie besitzen eine bestimmte Masse und Größe. Leistungen: - erklärt die Aggregatzustände und ihre Übergänge - Gesetz der Erhaltung der Masse - chemische Reaktion = Umgruppierung von Atomen - deutet Satz von Avogadro. Grenzen: - keine Erklärung von elektrischer Ladung - keine Erklärung für den Zusammenhalt in Verbindungen neue Erkenntnisse: - negative Ladungen müssen leicht beweglich und leicht aus dem Atom ablösbar sein. 1.3. Das THOMSON-Modell (1890): Atome enthalten gleich viele positive wie negative Ladungen. Die positive Ladung ist an die Hauptmasse des Atoms gebunden, die negative Ladung (Elektronen) ist im Atom gleichmäßig verteilt und an sehr wenig Masse gebunden. Leistungen: - erklärt Ladungen durch Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen - erklärt Zusammenhalt von Feststoffen durch Anziehung zwischen positiv und negativ geladenen Teilchen. Grenzen: - viele chemischen Eigenschaften noch nicht erklärbar - keine Erklärung der Radioaktivität. neue Erkenntnisse: - Entdeckung der Radioaktivität (1895). Rosinenkuchenmodell Der Atombau 3
Das DALTON-und das THOMSON-Modell Das DALTON-Modell (1804) Atome sind kompakt, einheitlich und unteilbar. Sie besitzen eine bestimmte Masse und Größe. Das THOMSON-Modell (1890) Atome enthalten gleich viele positive wie negative Ladungen. Die positive Ladung ist an die Hauptmasse des Atoms gebunden, die negative Ladung (Elektronen) ist im Atom gleichmäßig verteilt und an sehr wenig Masse gebunden. Rosinenkuchenmodell Der Atombau 4
Themen/Lernziele: Die Radioaktivität Die Halbwertszeit i Idee Marie CURIE Folie Lückentext! (Damit der Schreibaufwand nicht zu groß wird) Folie Ernest RUTHERFORD erhält dafür 1908 den Chemie-Nobelpreis Kopie Element Formelzeichen Tellur 128 Te ca. 7 10 24 Jahre (7 Quadrillionen Jahre) Selen 82 Se ca. 1,08 10 20 Jahre (108 Trillionen Jahre) Bismut 209 Bi ca. 1,9 10 19 Jahre (19 Trillionen Jahre) Thorium 232 Th 14,05 Mrd. Jahre Uran 238 U 4,468 Mrd. Jahre Uran 235 U 704 Mio. Jahre Iod 129 I 15,7 Mio. Jahre Plutonium 239 Pu 24.110 Jahre Kohlenstoff 14 C 5.730 Jahre Radium 226 Ra 1.602 Jahre Plutonium 238 Pu 87,74 Jahre Caesium 137 Cs 30,2 Jahre Strontium 90 Sr 23,78 Jahre Tritium 3 H 12,36 Jahre Cobalt 60 Co 5,3 Jahre MA bitte Schwefel 35 S 87,5 Tage lesen Iod 131 I 8,07 Tage Radon 222 Rn 3,8 Tage http://de.wikipedia.org/wiki/halbwertszeit Francium 223 Fr 22 Minuten Thorium 223 Th 0,6 Sekunden Polonium 212 Po 0,3 µs Beryllium 8 Be 9 10 17 s (90 Trillionstelsekunden) 2. Die Radioaktivität 2.1. Entdeckung der Radioaktivität 1895 RÖNTGEN entdeckt die nach ihm benannten Strahlen. 1896 BECQUEREL entdeckt Strahlung im Uran (U). 1897 Ehepaar CURIE isoliert die strahlenden Bestandteile der Pechblende (radioaktives Erz). Entdeckung der Elemente Radium (Ra) und Polonium (Po). 1903 RUTHERFORD findet 3 verschiedene Strahlenarten: α-, β- und γ-strahlen. Versuchsaufbau RUTHERFORDS: Radium Bleiblock Kondensator β: negativ, Ladung -1 Masse 1/1800 u (Elektronen) γ: ungeladen, elektromagnetische Welle α: positiv, Ladung +2 Masse 4 u (Helium ohne 2 Elektronen) Leuchtschirm RUTHERFORDS Erklärung: Radioaktive Strahlung beruht auf einem Zerfall radioaktiver Atome. α- und β-strahlen sind Atombruchstücke, γ-strahlen sind elektromagnetische Wellen. Konsequenz: Atome sind keine unteilbaren Teilchen, sie können in Bruchstücke zerfallen, und senden dabei radioaktive Strahlung aus. 2.2. Halbwertszeit: Jedes radioaktive Element hat eine bestimmte Zerfallsgeschwindigkeit. Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der jeweils die Hälfte der vorhandenen Atome zerfällt. Beispiele: Uran-235: T 704 Mio. Jahre Francium-223: T 22 Min. 2.3. Zerfallskurve: N N 0 N 0 /2 N 0 /4 Radium: T 1600 Jahre Polonium-212: T 0,3 µ Sek. T 1/2 T 1/2 T 1/2 T 1/2 T 1/2 t 2.4. Stärke radioaktiver Stoffe: Aktivität: Zahl der Zerfälle in 1 s Einheit: 1/s = 1 BECQUEREL (Bq) Bsp.: 1 μg Radium hat eine Aktivität von 37000 Bq = 37000 Zerfälle/sec. Zeit Der Atombau 5
AB: Chemie Radioaktivität Atombau 2. Die Radioaktivität 2.1. Entdeckung der Radioaktivität: 1895 RÖNTGEN entdeckt die nach ihm benannten Strahlen. 1896 BECQUEREL entdeckt Strahlung im Uran (U). 1897 Ehepaar CURIE isoliert die strahlenden Bestandteile der Pechblende (radioaktives Erz). Entdeckung der Elemente Radium (Ra) und Polonium (Po). 1903 RUTHERFORD findet 3 verschiedene Strahlenarten: α-, β- und γ-strahlen. Versuchsaufbau Rutherfords: β: negativ, Ladung -1 Masse 1/1800 u (Elektronen) Radium Bleiblock Kondensator γ: ungeladen, elektromagnetische Welle α: positiv, Ladung +2 Masse 4 u (Helium ohne 2 Elektronen) Leuchtschirm RUTHERFORDS Erklärung: Radioaktive Strahlung beruht auf einem Zerfall radioaktiver Atome. α- und β-strahlen sind Atombruchstücke, γ-strahlen sind elektromagnetische Wellen. Konsequenz: Atome sind keine unteilbaren Teilchen, sie können in Bruchstücke zerfallen, und senden dabei radioaktive Strahlung aus. 2.3. Zerfallskurve: Teilchenmenge Teilchenmenge N 0 am Anfang (Zeit t = 0) N 0 /2 N 0 /4 N Der Zerfall radioaktiver Elemente ist spontan und rein statistisch. Er lässt sich nicht beeinflussen (Druck, Temperatur, chemische Reaktionen). Nach der Zeit T 1/2 ist die Hälfte der Teilchen zerfallen, die Aktivität (also die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde) geht in gleichem Maße zurück, beträgt also auch nur noch die Hälfte des Ausgangswertes. Zeit T 1/2 T 1/2 T 1/2 T 1/2 T 1/2 t Der Atombau 6
RUTHERFORD (1903) β: negativ, Ladung -1 Masse 1/1800 u (Elektronen) Radium γ: ungeladen, elektromagnetische Welle Bleiblock α: positiv, Ladung +2 Masse 4 u (Helium ohne 2 Elektronen) Kondensator Leuchtschirm N 0 N 0 /2 N 50 % Teilchenmenge am Anfang (Zeit t = 0) Zerfallskurve: Der Zerfall radioaktiver Elemente ist spontan und rein statistisch. Er lässt sich nicht beeinflussen (Druck, Temperatur, chemische Reaktionen). Nach der Zeit T ist die Hälfte der Teilchen zerfallen, die Aktivität (also die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde) geht in gleichem Maße zurück, beträgt also auch nur noch die Hälfte des Ausgangswertes. N 0 /4 N 0 /8 25 % 12,5 % Zeit T 1/2 T 1/2 T 1/2 T 1/2 T 1/2 t Der Atombau 7
Themen/Lernziele: RUTHERFORDs Streuversuch Kern-Hülle-Modell 1911 Versuche mit der Goldfolie 1909 11 3. Das Atommodell von Rutherford 3.1. Der RUTHERFORDsche Streuversuch Ernest RUTHERFORD (1871 1937, Nobelpreis 1908): Auf eine dünne Goldfolie (ca. 1000 Atomlagen) wird ein Bündel α-strahlen gerichtet. Folie Arbeits- Blatt AB Bei der Annahme, dass Atome kompakte Kugeln seien, müssten alle α-teilchen abprallen und reflektiert werden oder stecken bleiben. Im Versuch war jedoch folgendes zu beobachten: 1. Nahezu alle α-teilchen durchdrangen die Folie ungehindert! (RUTHERFORD: es war, als schieße man gegen einen Geist ) Folgerung: Das Atom ist fast vollkommen leer! Größenordnung: Atomdurchmesser: ca. 10 10 m Kerndurchmesser: ca. 10 15 m (vgl.: Reiskorn zu Fußballstadion) 2. Ganz wenige (eines von 20 000) wurden schwach abgelenkt bzw. zurückgeworfen! (RUTHERFORD: wie wenn man eine Granate gegen Seidenpapier wirft, und sie fliegt zurück ) Folgerung: 3.2. RUTHERFORDs Atommodell Atome bestehen aus einem winzigen positiv geladenen Atomkern (ca. 10 15 m), in dem praktisch die gesamte Masse vereinigt ist und einer Atomhülle (ca. 10 10 m), in der sich die negativ geladenen Elektronen aufhalten (Kern-Hülle-Modell). Der Atombau 8
AB: Chemie Der RUTHERFORDsche Streuversuch Atombau 3. Das Atommodell von Rutherford 3.1. Der RUTHERFORDsche Streuversuch Ernest RUTHERFORD (1871 1937, Nobelpreis 1908) Auf eine dünne Goldfolie (ca. 1000 Atomlagen) wird ein Bündel α-strahlen gerichtet. Goldfolie Bei der Annahme, dass Atome kompakte Kugeln seien, müssten alle α-teilchen abprallen und reflektiert werden oder stecken bleiben. Aber: Nahezu alle α-teilchen durchdrangen die Folie ungehindert! (RUTHERFORD: es war, als schieße man gegen einen Geist ) => Atome sind fast vollkommen leer Ganz wenige (eines von 20 000) wurden schwach abgelenkt bzw. zurückgeworfen! (RUTHERFORD: wie wenn man eine Granate gegen Seidenpapier wirft, und sie fliegt zurück ) Der Atombau 9
RUTHERFORD 1 2 Der Atombau 10
RUTHERFORD 3 4 Der Atombau 11
RUTHERFORD 5 6 Der Atombau 12
RUTHERFORD 7 8 Der Atombau 13
Themen/Lernziele: Aufbau von Atomen Der Atomkern Wdh. RUTHERFORD Modelle? nur 2 Protonen, aber 4 u Atommasse ===> neuer Kernbaustein (Neutronen) (1932 nachgewiesen) i 4. Der Atomkern - sehr klein - positiv geladen - hat fast die ganze Masse des Atoms Kernladungszahl = Ordnungszahl = Protonenzahl 4.1. Das Wasserstoffatom (Atommasse = 1u) H H + + e Wasserstoff-Atom Kern des Wasserstoff-Atoms Elektron ( Proton ) Aufbau: Proton: Kernbaustein Masse:1 u Ladung: +1 Elektron: Baustein der Atomhülle Masse:1/1800 u Ladung: 1 4.2. Das Heliumatom (Atommasse = 4u) He He 2+ + 2 e Helium-Atom Kern des Helium-Atoms 2 Elektronen ( α-teilchen ) Aufbau: Neutron: Kernbaustein Masse:1 u Ladung: ±0 4 2 He Schreibweise: Massenzahl = Protonen + Neutronen (Nukleonen) Ordnungszahl = Protonenzahl = Zahl der Elektronen in ungeladenen Atomen 4.3. Das Lithiumatom (Atommasse = 7u) Aufbau: 7 3 Li 4.4. Atombausteine Masse Ladung Proton (p) 1 u + 1 Neutron (n) 1 u ± 0 Elektron (e) 1/ 1800 u - 1 Der Atombau 14
Themen/Lernziele: Isotope Beispiele und Eigenschaften i iso-topos = gleicher Platz 5. Isotope Isotope sind Atome des gleichen Elementes (==> gleiche Ordnungszahl, gleiche Protonenzahl), die sich jedoch in der Neutronenzahl und damit auch in der Atommasse unterscheiden. Bsp.: Chlor 35,5 17 Cl i Nukleonenzahl/Massenzahl 35 17Cl 75 % Massenzahl Ordnungszahl 37 17Cl 25 % MA bitte lesen http://de.wikipedia.org/wiki/isotop 5.1. Reinelemente (20 Elemente) Elemente, die nur eine Atomsorte enthalten (Be, F, Na, ) 5.2. Mischelemente (alle anderen) Elemente die mehrere verschiedene Isotope enthalten 5.3. Wichtige Elemente mit Isotopen Element: Schreibweise: Häufigkeit: Kern: Symbol: i 1u = m(1 Atom 12 6C) 12 Radiocarbonmethode Halbwertszeit von 14 C beträgt 5730 J. (1 kg Kohlenstoff hat eine Aktivität von 233 Bq = 14 Zerfälle/g min) Bsp.: Ist die Aktivität einer Holzprobe auf 25% des natürlichen Wertes gesunken, so ist der Holzfund 11460 Jahre alt Wasserstoff 1 1 H 99,98 % (1p) H Wasserstoff 2 0,0145 % (1p,1n) D 1 H Deuterium Wasserstoff 3 10 15 % (1p,2n) T 1 H Tritium Kohlenstoff 12 6 C 98,9 % (6p,6n) Kohlenstoff 13 6 C 1,1 % (6p,7n) Kohlenstoff 14 Spuren (6p,8n) 6 C i Kernspaltung/Bombe Uran 235 0,7 % (92p,143n) 92 U Uran 238 99 % (92p,146n) 92 U Isotope unterscheiden sich im Allgemeinen in ihren physikalischen Eigenschaften, nicht jedoch in ihrem chemischen Verhalten, denn das wird nur durch die Zahl und die Verteilung der Elektronen bestimmt. ===> nächste Einheit!! Der Atombau 15
Themen/Lernziele: Bewegung der Elektronen Ionisierung von Atomen Ionisierungsenergie 6. Der Aufbau der Atomhülle In der Atomhülle befinden sich die Elektronen, sie bewegen sich völlig ungeordnet durch den Raum: Momentaufnahme Bewegung viele Momentaufnahmen Kugelwolke Stroboskop Um genaueren Einblick in den Aufbau der Atomhülle zu erhalten: ===> sezieren! Elektronen werden herausgeschossen (Zehnerle) Ion (griech.): das Wandernde vgl.: Apfelpflücken, die ersten gehen gut, 6.1. Die Ionisierung Ion: ist ein elektrisch geladenes Teilchen. Entfernt man ein (oder mehrere) Elektron(en) aus einem Atom, bleibt ein positiv geladenes Teilchen (Kation) übrig. Dieser Vorgang heißt Ionisierung. Zur Ionisierung muss Energie aufgewendet werden Bsp.: die Ionisierung von Helium: e e 2p + 2n + 2p 2n + e e He He + + e ΔH = + 2370 kj/mol e 2p + 2n 2p + 2n + e He + He 2+ + e ΔH = + 5250 kj/mol Helium-Kern (= α-teilchen) Ionisierungsenergie Folie Ionisierungsenergien 6.2. Die Ionisierungsenergie Die Ionisierungsenergie ist abhängig von der Ladung des Atomkernes (Kernladungszahl) und von der Entfernung der Elektronen vom Kern. Je größer die Ionisierungsenergie eines Elektrons ist, desto geringer ist sein Abstand zum Kern. Werden mehrere Elektronen aus dem Atom entfernt steigt die Ionisierungsenergie immer an. Der Atombau 16
2,5 in MJ/mol He Ionisierungsenergien (der jeweils ersten Elektronen) 2,0 Ne 1,5 N F Ar 1,0 H Be B C O Mg Si P S Cl Ca 0,5 Li Na Al K 0,0 Ordnungszahl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Lit.: KAMP/SCHREPPER: Chemische Formeln und Daten; Klett-Verlag Stuttgart 1995 Datei: Ionisierungsenergien.xls Der Atombau 17
Element Elementsymbol Anzahl der Elektronen Ionisierungsenergien in MJ/mol (aller Elektronen der ersten 13 Elemente) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Wasserstoff H 1 1,31 Helium He 2 2,37 5,25 Lithium Li 3 0,52 7,30 11,82 Beryllium Be 4 0,90 1,76 14,85 21,00 Bor Be 5 0,80 2,43 3,66 25,03 32,83 Kohlenstoff C 6 1,09 2,35 4,62 6,22 37,83 47,28 Stickstoff N 7 1,40 2,86 4,58 7,48 9,45 53,27 64,36 Sauerstoff O 8 1,31 3,39 5,30 7,47 10,99 13,33 71,34 84,08 Fluor F 9 1,68 3,37 6,05 8,41 11,02 15,16 17,87 92,04 106,40 Neon Ne 10 2,08 3,95 6,12 9,37 12,18 15,24 20,00 23,07 115,40 131,40 Natrium Na 11 0,50 4,56 6,91 9,54 13,35 16,61 20,12 25,49 28,93 141,40 159,10 Magnesium Mg 12 0,74 1,45 7,73 10,54 13,63 18,00 21,70 25,66 31,64 35,46 170,00 189,40 Aluminium Al 13 0,58 1,82 2,75 11,58 14,83 18,38 23,30 27,46 31,86 38,46 42,66 201,30 222,30 Element Elementsymbol Anzahl der Elektronen Ionisierungsenergien in MJ/mol (aller Elektronen der ersten 13 Elemente) ** rückwärts sortiert ** Wasserstoff H 1 1,31 Helium He 2 2,37 5,25 Lithium Li 3 0,52 7,30 11,82 Beryllium Be 4 0,90 1,76 14,85 21,00 Bor Be 5 0,80 2,43 3,66 25,03 32,83 Kohlenstoff C 6 1,09 2,35 4,62 6,22 37,83 47,28 Stickstoff N 7 1,40 2,86 4,58 7,48 9,45 53,27 64,36 Sauerstoff O 8 1,31 3,39 5,30 7,47 10,99 13,33 71,34 84,08 Fluor F 9 1,68 3,37 6,05 8,41 11,02 15,16 17,87 92,04 106,40 Neon Ne 10 2,08 3,95 6,12 9,37 12,18 15,24 20,00 23,07 115,40 131,40 Natrium Na 11 0,50 4,56 6,91 9,54 13,35 16,61 20,12 25,49 28,93 141,40 159,10 Magnesium Mg 12 0,74 1,45 7,73 10,54 13,63 18,00 21,70 25,66 31,64 35,46 170,00 189,40 Aluminium Al 13 0,58 1,82 2,75 11,58 14,83 18,38 23,30 27,46 31,86 38,46 42,66 201,30 222,30 Lit.: KAMP/SCHREPPER: Chemische Formeln und Daten; Klett-Verlag Stuttgart 1995 Datei: Ionisierungsenergien.xls Der Atombau 18
Themen/Lernziele: Verteilung der Elektronen Kugelwolken (Orbitale) Valenzelektronen 6.3. Verteilung der Elektronen in der Atomhülle Alle Elektronen eines Atoms sind völlig gleich! Alle Aussagen über den Aufbau der Atomhülle betreffen nur die statistische Verteilung der Elektronen! Aufgrund der experimentell gewonnenen Erkenntnisse lassen sich weitere Aussagen über den Aufbau der Atomhülle machen: Die einzelnen Begriffe ausführlichst erklären. Durch Farben werden die jeweils zueinandergehörenden Bereiche markiert Arbeits- Blatt AB Stockwerke Die Elektronen werden für jedes Element eingezeichnet, die Valenzelektronen werden markiert. 1.) Die Elektronen eines Atoms befinden sich auf verschiedenen Energiestufen (Energieniveaus). 2.) Diesen Energieniveaus entsprechen räumliche Bereiche innerhalb der Elektronenwolke, die sogenannten Schalen; die Elektronenwolke (= Atomhülle) hat somit einen schalenförmigen Aufbau (1, 2, 3, 4, ). 3.) Innerhalb einer Schale lassen sich noch weitere verschiedene Aufenthaltsräume unterscheiden, diese Bereiche nennen wir Kugelwolken bzw. Orbitale (s, p, d, f). 4.) Die Elektronen, die sich in der äußersten noch besetzten Schale befinden bezeichnet man als Valenzelektronen (oder Außenelektronen). 5.) Alle anderen Elektronen und der Atomkern zusammen ergeben den Atomrumpf. 6.) Für das chemische Verhalten der Atome sind nur die Valenzelektronen wichtig! verschiedene Orbitale (Kugelwolken) Der Atombau 19
AB: Chemie Die Atomhülle Atombau 6.3. Verteilung der Elektronen in der Atomhülle: Alle Elektronen eines Atoms sind völlig gleich! Alle Aussagen über den Aufbau der Atomhülle betreffen nur die statistische Verteilung der Elektronen! Aufgrund der experimentell gewonnenen Erkenntnisse lassen sich weitere Aussagen über den Aufbau der Atomhülle machen: 1. Die Elektronen eines Atoms befinden sich auf verschiedenen Energiestufen (Energieniveaus). 2. Diesen Energieniveaus entsprechen räumliche Bereiche innerhalb der Elektronenwolke, die sogenannten Schalen; die Elektronenwolke (= Atomhülle) hat somit einen schalenförmigen Aufbau (1, 2, 3, 4, ). 3. Innerhalb einer Schale lassen sich noch weitere verschiedene Aufenthaltsräume unterscheiden, diese Bereiche nennen wir Kugelwolken bzw. Orbitale (s, p, d, f). 4. Die Elektronen, die sich in der äußersten noch besetzten Schale befinden bezeichnet man als Valenzelektronen (oder Außenelektronen). 5. Alle anderen Elektronen und der Atomkern zusammen ergeben den Atomrumpf. 6. Für das chemische Verhalten der Atome sind nur die Valenzelektronen wichtig! verschiedene Orbitale (Kugelwolken) Zeichne die Elektronen in die entsprechenden Orbitale! H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Der Atombau 20
Themen/Lernziele: Atombau und Periodensystem 7. Der Aufbau d. Atomhülle - Grundlage des Periodensystems Folie Elektronenschalen Ionisierungsenergie: Je größer die Ionisierungsenergie eines Elektrons ist, desto geringer muss sein Abstand zum Atomkern sein. Folie Atomradien - Von einem Element zum nächsten erhöht sich die Protonenzahl im Kern um 1 und damit auch die Elektronenzahl. - Das hinzukommende Elektron wird (bei den Hauptgruppenelementen) immer in die jeweils äußerste Schale eingebaut, die noch nicht vollständig besetzt ist. - Zuerst werden alle Kugelwolken (Orbitale) jeweils nur mit einem Elektron besetzt (Elektronen sind negativ geladen und stoßen sich deshalb ab). - Nach Erreichen eines Edelgases (2 e bzw. 8 e ) wird immer eine neue Schale begonnen. 7.1. Atombau und Atomgröße - Innerhalb einer Gruppe nimmt die Zahl der Schalen von oben nach unten zu; demzufolge wird das Atom immer voluminöser. - Innerhalb einer Periode nimmt zwar die Zahl der Elektronen zu, die Anzahl der Schalen bleibt aber gleich; die Zunahme der Kernladung führt daher zu einer Abnahme des Atomradiuses von links nach rechts. 7.2. Die LEWIS-Schreibweise Um die Valenzelektronenzahl bildlich darzustellen, hat sich die sogenannte LEWIS-Schreibweise eingebürgert. Dabei deutet man Elektronen als Punkte und Elektronenpaare als Striche an, die man um das Elementsymbol (= Atomrumpf, also Atomkern und Innenelektronen) herumschreibt. LEWIS-Schreibweise/Kugelwolkenmodell: einfach besetzte Kugelwolke/Orbital doppelt besetzte Kugelwolke/Orbital Beispiele: H He Li O Haus- Aufgabe H A Arbeits- Blatt AB Der Atombau 21
Hotel Elektronenschale s super p perfekt d dunkel f feucht 5 f 5 f 5 4 f 5 5 4 f 4 f 3 d xy 5 5 4 f 4 f 3 d 3 d x 2 -y 2 xz 2 p y 5 5 4 f 5 4 f 5 5 f 3 d z 2 5 f 4 d xz 4 d x 2 -y 2 5 f 5 f 4 d xy 3 p y 2 p x 1 s 2 p z 3 d yz 5 f 2 s 4 d z 2 5 d xz 4 p y 3 p x 3 s 3 p z 4 d yz 5 d x 2 -y 2 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5 6s 6p 6d 6f 6 7s 7p 5 d xy 5 p y 4 p x 5 p x 4 s 5 s 4 p z 5 p z 5 d yz 5 d z 2 s sharp p principal d diffuse f fundamental Elektronenanordnung beim Eisen 26 Fe Der Atombau 22
Atomradien (der ersten 20 Elemente) 200 in 10-12 m = pm K 150 Li Be Na Mg Al Ca 100 B Si P S Cl Ar C N O F Ne 50 H He 0 Ordnungszahl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Lit.: RÖMPP: Chemie Lexikon, 9. Aufl.; Thieme-Verlag Stuttgart Datei: Ionisierungsenergien.xls Der Atombau 23
AB: Chemie Die LEWIS-Schreibweise Atombau Element Ordnungs- Atom- Valenz- LEWIS- zahl: Z symbol elektronen Schreibweise Wasserstoff 1 H 1 H Helium 2 He 2 He Lithium 3 Li 1 Li Beryllium 4 Be 2 Be Bor 5 B 3 B Kohlenstoff 6 C 4 C Stickstoff 7 N 5 N Sauerstoff 8 O 6 O Fluor 9 F 7 F Neon 10 Ne 8 Ne Natrium 11 Na 1 Na Magnesium 12 Mg 2 Mg Aluminium 13 Al 3 Al Silicium 14 Si 4 Si Phosphor 15 P 5 P Schwefel 16 S 6 S Chlor 17 Cl 7 Cl Argon 18 Ar 8 Ar Kalium 19 K 1 K Calcium 20 Ca 2 Ca Achtung: hier stehen noch 10 Nebengruppenelemente dazwischen Gallium 31 Ga 3 Ga Germanium 32 Ge 4 Ge Arsen 33 As 5 As Selen 34 Se 6 Se Brom 35 Br 7 Br Krypton 36 Kr 8 Kr Rubidium 37 Rb 1 Rb Fragen: Worin stimmen die Elektronenhüllen der Elemente einer Periode überein? Wo nicht? Worin stimmen die Elektronenhüllen der Elemente einer Gruppe überein? Wo nicht? Der Atombau 24
Themen/Lernziele: Atombau und chemische Egenschaften Edelgasregel und Wertgkeit Wdh. Kontrolle der HA Frage 1: - gleiche Anzahl an inneren Schalen, - innere Schalen haben alle die gleiche Anzahl an Elektronen, - äußerste Elektronenschale ist mit unterschiedlich vielen Elektronen besetzt. Frage 2: - gleiche Anzahl an Elektronen in der äußersten Schale (= die Zahl der Valenzelektronen ist gleich), - unterschiedlich viele innere Schalen. Wdh. 7.3. Atombau und chemische Eigenschaften Die Gemeinsamkeit der Elemente einer Gruppe (z.b. der Alkalimetalle) ist in ihrer übereinstimmenden Anzahl von Valenzelektronen begründet. Diese Anzahl bestimmt das chemische Verhalten offenbar ganz entscheidend (z. B. Reaktionsfreudigkeit, Metall- oder Nichtmetallcharakter, Wertigkeit).? Wieso reagieren Edelgase nicht! neuer Begriff 7.4. Edelgasregel Die Elektronenverteilung der Edelgase (8 Valenzelektronen bzw. 2 bei He) zeichnet sich durch eine besondere Stabilität aus. Bei chemischen Reaktionen sind daher alle Atome bestrebt, durch Aufnahme bzw. Abgabe von Elektronen eine edelgasähnliche Struktur der Atomhülle zu erreichen. (Beispiele: Alkalimetalle: Abgabe eines Valenzelektrons. Erdalkalimetalle: Abgabe von zwei VE. Halogene: Aufnahme von einem VE) Na Na + + e Mg Mg 2+ + 2 e Cl + e Cl Reaktionsfähigkeit Je leichter ein Element die Edelgaskonfiguration erreichen kann, desto reaktiver ist es. Alkalimetalle und Halogene sind die reaktionsfähigsten Elementgruppen. (Vgl. Cs und F)! Halbmetalle, H, C Metall oder Nichtmetall Metalle sind diejenigen Elemente, die eher Valenzelektronen abgeben um Edelgaskonfiguration zu erreichen (VE-Zahl < 4), Nichtmetalle sind Elemente die eher Elektronen aufnehmen (VE-Zahl > 4). Bisher: Anzahl der H-Atome, die ersetzt oder gebunden werden können Wertigkeit Die Wertigkeit kann aus der Valenzelektronenzahl abgelesen werden: Die maximale Wertigkeit eines Elements entspricht der gesamten Valenzelektronenzahl (also auch der Gruppennummer), die häufigste Wertigkeit ergibt sich aus dem kürzesten Weg zur Edelgasstruktur. Bsp.: Verbindungsformeln: NaCl Na 2 O MgCl 2 MgO Al 2 O 3 Der Atombau 25
AB: Chemie Die Edelgasregel Atombau 7.3. Atombau und chemische Eigenschaften Die Gemeinsamkeit der Elemente einer Gruppe (z.b. der Alkalimetalle) ist in ihrer übereinstimmenden Anzahl von Valenzelektronen begründet. Diese Anzahl bestimmt das chemische Verhalten offenbar ganz entscheidend (z.b. Reaktionsfreudigkeit, Metall- oder Nichtmetallcharakter, Wertigkeit). 7.4. Edelgasregel Die Elektronenverteilung der Edelgase (8 Valenzelektronen bzw. 2 bei He) zeichnet sich durch eine besondere Stabilität aus. Bei chemischen Reaktionen sind daher alle Atome bestrebt, durch Aufnahme bzw. Abgabe von Elektronen eine edelgasähnliche Struktur der Atomhülle zu erreichen. (Beispiele: Alkalimetalle: Abgabe eines Valenzelektrons. Erdalkalimetalle: Abgabe von zwei VE. Halogene: Aufnahme von einem VE) Na Na + + e - Mg Mg 2+ + 2 e - Cl + e - Cl - Reaktionsfähigkeit Je leichter ein Element die Edelgaskonfiguration erreichen kann, desto reaktiver ist es. Alkalimetalle und Halogene sind die reaktionsfähigsten Elementgruppen. (Vgl. Cs u. F) Metall oder Nichtmetall Metalle sind diejenigen Elemente, die eher Valenzelektronen abgeben um Edelgaskonfiguration zu erreichen (VE-Zahl < 4), Nichtmetalle sind Elemente die eher Elektronen aufnehmen (VE-Zahl > 4). Wertigkeit Die Wertigkeit kann aus der Valenzelektronenzahl abgelesen werden: Die maximale Wertigkeit eines Elements entspricht der gesamten Valenzelektronenzahl (also auch der Gruppennummer), die häufigste Wertigkeit ergibt sich aus dem kürzesten Weg zur Edelgasstruktur. Bsp.: Verbindungsformeln: NaCl Na 2 O MgCl 2 MgO Al 2 O 3 Der Atombau 26
AB: Chemie Atomhülle - LEWIS - Edelgasregel Atombau 7. Der Aufbau d. Atomhülle - Grundlage d. Periodensystems - Von einem Element zum nächsten erhöht sich die Protonenzahl im Kern um 1 und damit auch die Elektronenzahl. - Das hinzukommende Elektron wird (bei den Hauptgruppenelementen) immer in die jeweils äußerste Schale eingebaut, die noch nicht vollständig besetzt ist. - Zuerst werden alle Kugelwolken (Orbitale) jeweils nur mit einem Elektron besetzt (Elektronen sind negativ geladen und stoßen sich deshalb ab). - Nach Erreichen eines Edelgases (2 e bzw. 8 e ) wird immer eine neue Schale begonnen. 7.1. Atombau und Atomgröße - Innerhalb einer Gruppe nimmt die Zahl der Schalen von oben nach unten zu; demzufolge wird das Atom immer voluminöser. - Innerhalb einer Periode nimmt zwar die Zahl der Elektronen zu, die Anzahl der Schalen bleibt aber gleich; die Zunahme der Kernladung führt daher zu einer Abnahme des Atomradiuses von links nach rechts. 200 150 100 50 0 in 10-12 m = pm H He Li Be B Atomradien (der ersten 20 Elemente) C N O F Ne Ordnungszahl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 7.2. Die LEWIS-Schreibweise Um die Valenzelektronenzahl bildlich darzustellen, hat sich die sogenannte LEWIS-Schreibweise eingebürgert. Dabei deutet man Elektronen als Punkte und Elektronenpaare als Striche an, die man um das Elementsymbol (= Atomrumpf, also Atomkern und Innenelektronen) herumschreibt. Beispiele: H He Li O Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca 7.3. Atombau und chemische Eigenschaften Die Gemeinsamkeit der Elemente einer Gruppe (z.b. der Alkalimetalle) ist in ihrer übereinstimmenden Anzahl von Valenzelektronen begründet. Diese Anzahl bestimmt das chemische Verhalten offenbar ganz entscheidend (z. B. Reaktionsfreudigkeit, Metall- oder Nichtmetallcharakter, Wertigkeit). 7.4. Edelgasregel Die Elektronenverteilung der Edelgase (8 Valenzelektronen bzw. 2 bei He) zeichnet sich durch eine besondere Stabilität aus. Bei chemischen Reaktionen sind daher alle Atome bestrebt, durch Aufnahme bzw. Abgabe von Elektronen eine edelgasähnliche Struktur der Atomhülle zu erreichen. (Beispiele: Alkalimetalle: Abgabe eines Valenzelektrons. Erdalkalimetalle: Abgabe von zwei Valenzelektronen. Halogene: Aufnahme von einem Valenzelektron) Na Na + + e Mg Mg 2+ + 2 e Cl + e Cl Reaktionsfähigkeit Je leichter ein Element die Edelgaskonfiguration erreichen kann, desto reaktiver ist es. Alkalimetalle und Halogene sind die reaktionsfähigsten Elementgruppen. (Vgl. Cäsium - Cs und Fluor - F) Metall oder Nichtmetall Metalle sind diejenigen Elemente, die eher Valenzelektronen abgeben um Edelgaskonfiguration zu erreichen (Valenzelektronen-Zahl < 4), Nichtmetalle sind Elemente die eher Elektronen aufnehmen (Valenzelektronen- Zahl > 4). Wertigkeit Die Wertigkeit kann aus der Valenzelektronenzahl abgelesen werden: Die maximale Wertigkeit eines Elements entspricht der gesamten Valenzelektronenzahl (also auch der Gruppennummer), die häufigste Wertigkeit ergibt sich aus dem kürzesten Weg zur Edelgasstruktur. Ionenverbindungen Vergleicht man die Anzahl der Elektronen, die zum Erreichen der Edelgaskonfiguration abgegeben bzw. aufgenommen werden müssen, lässt sich die Formel einer Verbindung bestimmen (vgl. auch nächste Unterrichtseinheit). Bsp.: Verbindungsformeln: NaCl Na 2 O MgCl 2 MgO Al 2 O 3 Der Atombau 27