Atome - Chemische Symbole Um zu erklären, dass die Grundstoffe nicht weiter zerlegbar sind, nahm der englische Wissenschaftler John Dalton um 1800 an, dass die chemischen Elemente aus unteilbaren Teilchen bestehen. Er nannte diese Teilchen Atome, so wie man schon im Altertum die kleinsten Bausteine aller Stoffe genannt hatte (griechisch: atomos = unteilbar). Für John Dalton war jeder Grundstoff aus einer bestimmten Art von Atomen aufgebaut. Er stellte sich die Atome als winzig kleine Kugeln vor. Manche der Modellvorstellungen von John Dalton sind noch heute gültig: 1.Die Atome sind die kleinsten Bausteine der Stoffe. 2.Jedes chemische Element besteht aus einer bestimmten Atomart. Man kennt heute 92 natürliche und fast zwei Dutzend künstliche, von Wissenschaftlern hergestellte Atomarten. 3.Die einzelnen Atomarten unterscheiden sich durch ihre Größe und ihre Masse. Beispiele: - Wasserstoffatom (leichtestes Atom): Radius: r = 0,5 x 10-10 m = 0,000 000 000 05 m = 0,000 000 05 mm Masse: m = 1,6 x 10-24 g = 0,000 000 000 000 000 000 000 0016 g - Uranatom (schwerstes Atom in der Natur): Radius: r = 1,4 x 10-10 m = 0,000 000 000 14 m = 0,000 000 14 mm Masse: m = 381 x 10-24 g = 0,000 000 000 000 000 000 000 381 g Diese Winzigkeit der Atome ist für uns unvorstellbar. Durch die folgenden Vergleiche und Gedankenexperimente wollen wir versuchen einen Eindruck von der Winzigkeit der kleinsten Stoffteilchen zu gewinnen: - 100 Millionen Eisenatome in einer Reihe ergeben eine Kette von gerade 1 cm Länge. - Könnte man alle Eisenatome eines Stecknadelkopfes in eine Reihe hintereinander legen, würde diese Kette 52 Mal von der Erde zum Mond reichen (Abstand Erde - Mond = 384 000 km). - Bei milliardenfacher Vergrößerung wäre ein Atom so groß wie ein Kinderspielball. Ein Staubkorn würde bei gleicher Vergrößerung eine ganze Großstadt bedecken. - Wäre ein Atom so groß wie ein Tennisball, so müsste bei gleichem Maßstab ein Mensch 2 Millionen km groß sein. Er würde dann so weit in den Weltraum hinausragen, dass der Mond etwa unterhalb seiner Knie stehen würde. LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 1 -
Einfachheitshalber verwendet der Chemiker für jede einzelne Atomart ein internationales Kurzzeichen oder Symbol. Diese Atomsymbole wurden 1818 vom Chemiker J.J. Berzelius aus den lateinischen oder griechischen Namen der Elemente abgeleitet. Wiederhole noch einmal die Elementsymbole unter: http://www.ltam.lu/chimie/elementsymbole.html + Das Symbol steht: 1. für ein Element und 2. für ein einzelnes Atom dieses Elementes. Beispiel: Fe bedeutet: 1. das Element Eisen 2. ein Eisenatom Werden mehrere einzelne Atome der gleichen Art angeschrieben, so stellt man die entsprechende Zahl als Koeffizient vor das Symbol. Beispiele: 5 Wasserstoffatome: 5 H 10 Goldatome: 10 Au Merke: Jedes chemische Element besteht aus einer bestimmten Atomart. Es gibt 92 Atomarten in der Natur. Jede Atomart wird mit einem chemischen Symbol abgekürzt. Dieses Symbol besteht aus einem oder zwei Buchstaben. Das Symbol steht für das Element selbst und für ein Atom des Elementes. Werden mehrere einzelne Atome angegeben, so schreibt man ihre Zahl vor das Symbol. An Hand der Modellvorstellung über den atomaren Aufbau der Materie haben die Wissenschaftler im 20. Jahrhundert auch den Aufbau größerer Stoffteilchen entschlüsselt. Diese größeren Stoffteilchen bestehen alle aus Atomen, die miteinander verbunden sind. Sie werden als Moleküle, Makromoleküle und Kristalle bezeichnet. LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 2 -
Moleküle Moleküle sind kleinste Stoffteilchen, die aus zwei oder mehreren Atomen aufgebaut sind. Die Atome sind im Molekül fest aneinander gebunden. Sie werden von starken Anziehungskräften, den Bindungskräften zusammengehalten. Einige Elemente kommen nur unter Form von zweiatomigen Molekülen vor: Cl O H N Br I F Sind mehrere Atome in einem Molekül miteinander verbunden, so schreibt man ihre Anzahl als Indexzahl rechts unten zum entsprechenden Symbol. Zum Beispiel: zwei miteinander verbundene Chloratome bilden ein Chlormolekül: Cl 2 Male vier Eisenatome (Wähle als Radius 1,5 cm). Wie lautet die Formelschreibweise? Male drei Wasserstoffmoleküle: (der Radius des Wasserstoffatoms ist 3 Mal kleiner als der des Eisenatoms). Wie lautet die Formelschreibweise? Was unterscheidet 2 N von N 2? Male das Modell. (Wähle als Radius 0,65 cm) LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 3 -
Durch Analyse kann man herausfinden, aus welchen Atomen ein Molekül zusammengesetzt ist. Wir haben die Zersetzung des Wassers bereits durchgeführt. Erinnerst Du dich noch an die Beobachtungen? Schau noch einmal nach unter: http://www.ltam.lu/chimie/elektrolyseexperiment.html Welche Stoffe wurden bei der Elektrolyse von Wasser gebildet? Notiere die Symbole der Elemente, aus denen Wasser besteht: War das Volumen der gebildeten Gase auf beiden Seiten gleich? Erkläre. Was kann man daraus über die Proportionen der Atome im Wassermolekül schließen? Skizziere ein Wassermolekül, so wie es deinen Beobachtungen entspricht: Wie lautet die Formel von Wasser? Jetzt kannst Du dir villeicht auch schon vorstellen, was mit den Atomen bei der Elektrolyse von Wasser passiert ist. Notiere deine Vorstellung, dessen, was mit den Wassermolekülen passiert ist. LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 4 -
Das kleinste Wasserteilchen ist ein Wassermolekül. Es besteht aus drei Atomen: einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, welche an das Sauerstoffatom gebunden sind. ein Wassermolekül zwei Wassermoleküle Bei der Zerlegung des Wassers durch Elektrolyse haben wir festgestellt, dass doppelt soviel Wasserstoffgas entsteht wie Sauerstoffgas. Dieses Verhältnis 2:1 findet sich auch in der atomaren Zusammensetzung des Wassermoleküls wieder: auf zwei Wasserstoffatome kommt ein Sauerstoffatom. Damit wird die im Versuch gemachte Beobachtung erklärt. Was passiert bei der Elektrolyse von Wasser mit den Teilchen? LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 5 -
Beispiel: Traubenzucker Das kleinste Traubenzuckerteilchen ist ein Traubenzuckermolekül. Es besteht aus 6 Kohlenstoffatomen, 12 Wasserstoffatomen und 6 Sauerstoffatomen. Diese 24 Atome sind in einer ganz bestimmten Weise miteinander verbunden. Strukturformel: Um das Verhalten der Moleküle zu verstehen, muss man wissen, welche Atome direkt aneinander gebunden sind. Man muss also die Struktur der Moleküle kennen. Die Struktur der Moleküle wird durch die Strukturformel angegeben. Diese Formel zeigt durch Bindungsstriche zwischen den Kurzzeichen, welche Atome direkt aneinander gebunden sind. Chemische Formel Zur Beschreibung der Zusammensetzung eines Moleküls benutzt man die chemische Formel (Summenformel). Die chemische Formel besteht aus den chemischen Symbolen, der im Molekül miteinander verbundenen Atomarten; die Zahl der Atome im Molekül wird, jeweils unten rechts am chemischen Symbol, als Index angeschrieben; wenn es sich nur um ein Atom handelt, wird keine Zahl angeschrieben. Strukturformel: LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 6 -
Chemische Formel: C 6 H 12 O 6 Heute ist der Aufbau der Moleküle vieler Reinstoffe genau bekannt. Die Moleküle der Elemente bestehen aus einer einzigen Atomart; deshalb sind Elemente nicht mehr in andere, einfachere Stoffe zerlegbar. Die Moleküle der Verbindungen bestehen aus verschiedenen Atomarten; deshalb sind die Verbindungen in andere, einfachere Stoffe zerlegbar. Reinstoff Strukturformel Chemische Formel Element/Verbindung Wasser H 2 O Verbindung Alkohol (Ethanol) C 2 H 6 O Verbindung Sauerstoff O 2 Element Wasserstoff H 2 Element Sind mehrere Moleküle der gleichen Art anzuschreiben so wird die entsprechende Zahl vor die Formel gestellt. Beispiele: 4 Wassermoleküle: 3 Traubenzuckermoleküle: 3 C 6 H 12 O 6 7 Alkoholmoleküle: 7 C 2 H 6 O Der Koeffizient gibt die Anzahl der Moleküle oder einzelnen Atome an. Der Index gibt die Anzahl der Atome einer Art in einem Molekül an. LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 7 -
Baue die nachfolgenden Moleküle mit dem Baukasten nach und skizziere sie in die Tabelle. Reinstoff Molekülmodell Strukturformel Chemische Formel Wasserstoff 2 weiße Kugeln Element / Verbindung Stickstoff 2 blaue Kugeln Kohlenstoffdioxid 1 schwarze, 2 rote Ammoniak 1 blaue, 3 weiße Essigsäure Ethen (Ethylen) Wie viele Bindungen gehen die einzelnen Atomarten in diesen Molekülen (Tabelle) ein? Kohlenstoff geht immer Bindungen ein; Sauerstoff geht immer Bindungen ein; Wasserstoff geht immer Bindungen ein; Stickstoff geht immer Bindungen ein. Merke: Moleküle bestehen aus zwei oder mehreren Atomen, die miteinander verbunden sind. Die Moleküle von chemischen Elementen bestehen nur aus einer Atomart (H 2, O 2,...). Die Moleküle von chemischen Verbindungen bestehen aus mehreren Atomarten (H 2 O, CO 2,...) Die chemische Formel zeigt, aus welchen und aus wie vielen Atomen, ein Molekül aufgebaut ist. Gibt man zusätzlich die Bindungen zwischen den Atomen an, so spricht man von einer Strukturformel. Die verschiedenen Atomarten gehen unterschiedlich viele Bindungen ein. Die Zahl der Bindungen, die ein bestimmtes Atom eingehen kann, bezeichnet man als Wertigkeit (Valenz) des Atoms. LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 8 -
Aufgaben: 1. Fülle folgende Tabelle aus! Beispiel Moleküle Atome in einem Molekül Atome insgesamt 7 Au 0-7 7 Goldatome Bedeutung (Zahl und Aufbau) 3 H 2 O 3 3 3 x 3 = 9 3 Wassermoleküle, jedes besteht aus 2 Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom Ammoniak NH 3 Chlorwasserstoff 4HCl 2 F F 2 Phosphorsäure H 3 PO 4 Chloroform CHCl 3 Pb Kohlenstoffdioxid CO 2 3 He H 2 + O 2 LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 9 -
2. Bestimme die Wertigkeit aller Atomarten in folgenden Strukturformeln und schreibe jeweils die Summenformel an. Strukturformel Wertigkeiten Summenformel H: S: C: H: H: P: O: H: C: N: 3. Schreibe die chemische Formel an: a. Ein Molekül Chlor: es besteht aus 2 Chloratomen. b. 3 Moleküle Schwefelsäure: sie bestehen jeweils aus 2 Wasserstoffatomen, einem Schwefelatom und 4 Sauerstoffatomen. LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 10 -
c. 6 Moleküle Rübenzucker (Saccharose): sie bestehen jeweils aus 12 Kohlenstoffatomen, 22 Wasserstoffatomen und 11 Sauerstoffatomen. d. Ein Molekül Schwefeldioxid: es besteht aus einem Schwefelatom und zwei Sauerstoffatomen. 4. Stelle die Strukturformeln und die Summenformeln auf: Wasserstoff (einwertig) verbindet sich mit Chlor (einwertig) Phosphor (dreiwertig) verbindet sich mit Wasserstoff (einwertig) Kohlenstoff(vierwertig) verbindet sich mit Sauerstoff (zweiwertig) Die Wertigkeit Du kannst die Wertigkeit der Elemente der Hauptgruppen ganz leicht in der Periodentafel ablesen. Gruppe I II III IV V VI VII VIII Wertigkeit 1 2 3 4 3 2 1 0 Die Wertigkeit 0 bedeutet, dass das entsprechende Atom keine Bindung eingehen kann. Welche Elemente haben als Wertigkeit 0? Notiere die Wertigkeit zu der Periodentafel im Kapitel «Einteilung der Stoffe». LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 11 -
Aufstellen von chemischen Formeln http://www.ltam.lu/chimie/formelncd.html Beispiel: Bleioxid. Um die chemische Formel der Verbindung aufzustellen, muss man die Wertigkeiten der Atome (Blei, 4-wertig; Sauerstoff, 2-wertig) kennen: 1. Symbole anschreiben 2. Wertigkeiten unter die Symbole schreiben 3. Wertigkeiten austauschen 4. Formel anschreiben, mit folgender Reihenfolge: - Metalle - Wasserstoff - Nichtmetalle - Sauerstoff 5. Vereinfachen falls möglich 6. Namen der Verbindung aufstellen: Namen des ersten Elementes plus Endung: - oxid für Sauerstoff - sulfid für Schwefel - fluorid für Fluor - chlorid für Chlor - bromid für Brom - iodid für Iod - carbid für Kohlenstoff - hydrid für Wasserstoff Aufgabe: Stelle für folgende Verbindungen die chemische Formel auf und gib den Namen der Verbindung an. Chlor (Wertigkeit: ) und Aluminium (Wertigkeit: ) Sauerstoff (_-wertig) und Kalium (_-wertig) Schwefel (_-wertig) und Blei (2-wertig) Brom (_-wertig) und Calcium (_-wertig) Für Elemente die verschiedene Wertigkeiten besitzen, gibt man die Wertigkeit mit römischen Ziffern an. Beispiele: Eisen(II) und Sauerstoff (2-wertig): Verbindung: Eisen(II)oxid FeO Eisen(III) und Sauerstoff (2-wertig): Verbindung: Eisen(III)oxid Fe 2 O 3 LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 12 -
Zusammenfassung: Was bedeuten die folgenden Begriffe? Begriff Bedeutung Beispiel Gemenge Reinstoff Element Verbindung Chemische Bindung Atom Molekül Koeffizient Indexzahl Wertigkeit LTAM Naturwissenschaften 9e Atome chemische Symbole 13 -