Die Welt des ganz Kleinen - mefa.jena.de · Vom Atom zum Molekül... Zwei Sauerstoffatome binden...
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Zach Christian 2007
Atombau
Die Welt des ganz Kleinen
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Zach Christian 2007
Modellvorstellungen als
Verständnishilfen Stoffebene Teilchenebene
• Elemente sind Grundstoffe
• Atome sind Grundbausteine
• Stoffe können elektrisch geladen sein
• Atome bestehen aus geladenen Elementarteilchen
• Elemente reagieren zu Verbindungen in bestimmten Mengenverhältnissen
• Die Atome verbinden sich in bestimmten Zahlenverhältnissen
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Zach Christian 2007
-500
0
500
1000
1500
2000
DEMOKRIT: „Atomos“, das Atom gedacht als unteilbares Teilchen
EPIKUR: „Chem. Bindung“
ARISTOTELES: „4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft“
2000 Jahre „Kirchenvakuum“:
322 v. Chr. – 1632 n. Chr.
Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch
übernommen, „Ketzer“ hingerichtet.
DALTON: 1. und 2. Verbindungsgesetz
AVOGADRO: Gase, Moleküle
FARADAY: elektrische Natur der Atome
RUTHERFORD: Treuversuche
BOHR; PLANCK, HEISENBERG: Orbitaltheorie
GASSENDI, KEPLER, GALILEI
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Zach Christian 2007
Entwicklung der Atommodelle Atombegriff nach Demokrit (ca. 300 v. Chr.): Das Atom als philosophisch erdachtes „unteilbares“ Teilchen.
Atomtheorie der Neuzeit nach Dalton (ca.1805): Atome sind die kleinsten, unteilbaren Teilchen der Elemente.
Kern-Hülle-Modell nach Rutherford (1900): Atome bestehen aus geladenen Elementarteilchen, der Atomkern
ist nur 1/100.000 des Atoms groß.
Energiestufenmodell nach Bohr (ca. 1920): Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die nach ihrem
Energiegehalt in Energiestufen eingeteilt werden können.
Kugelwolkenmodell
quantenmechanisches Orbitalmodell
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Zach Christian 2007
Rutherford dringt ins Innere ein...
Rutherford, Ernest, Lord of Nelson and Cambridge (1871-1937), britischer Physiker, der für seine bahnbrechende Arbeit in der Kernphysik und für seine Theorie zur Atomstruktur den Nobelpreis erhielt.
Anhand von Strahlungsuntersuchungen stellte Rutherford seine Theorie der Atomstruktur auf, in der das Atom erstmalig als dichter Kern mit ihn umkreisenden Elektronen beschrieben wurde.
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Rutherfords Versuch
Radioaktives Präparat
Leuchtschirm
Goldfolie
Radioaktive Strahlen
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Was wäre wenn...
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Was wäre wenn...
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Zach Christian 2007
Der Streuversuch von Rutherford
Das Kern-Hülle-Modell: Atome bestehen aus
einem winzigen, positiv geladenen Kern und
einer riesigen, negativ geladenen
Elektronenhülle.
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Die Bedeutung von Kernteilchen
Elemente unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Protonen. Neutronen spielen hierbei keine Rolle.
Aufeinander folgende Elemente im PSE besitzen immer genau ein Proton mehr.
Zu jedem Proton muss in der Schale ein Elektron existieren. Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Elementes.
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Zach Christian 2007
Die Bedeutung von Kernteilchen
Je Proton benötigt man mindestens ein Neutron, damit der Kern stabil ist.
Bis zum Element 40Ca gilt: je Proton genau
ein Neutron, danach werden es mehr.
Bsp.: U
238
92
238 Nu - 92 p = 146 n
146 n : 92 p = 1,6
Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt jedes Element auch Neutronen im Kern.
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Der Atomkern
H He Li Be B C N O
Legende:
Protonen
Neutronen
Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von
Kernen!
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Isotope
H Li C N O
2H 0,015
1H 99,9
3H
6Li 7,5
7Li 92,5
12C 98,9
13C 1,1
14N 99,6
15N 0,4
16O 99,7
17O 0,1
18O 0,2
%
Nat.
Vor-
kom
men
Aufgabe: entdecke die Definition, was Isotope sind!
Isotop 1 Isotop 1 Isotop 1 Isotop 1 Isotop 1 Isotop 2 Isotop 2 Isotop 2 Isotop 2 Isotop 2 Isotop 3 Isotop 3 Isotop 3
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Zach Christian 2007
Die Bedeutung von Kernteilchen
Isotope unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Neutronen.
Es gibt unterschiedliche Zahlen von natürlichen stabilen Isotopen.
Viele Isotope sind instabil und zerfallen, indem sie radioaktive Strahlung abgeben.
Bsp.: β-Zerfall
C14
6N
14
7+ e-
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Bohr gliedert die Hülle in Schalen...
Niels Bohr (1885-1962), dänischer Physiker und Nobelpreisträger, lieferte wichtige und grundlegende Beiträge zur Kernphysik sowie zum Verständnis des atomaren Aufbaus.
Nach Bohr umlaufen die Elektronen den Kern in verschieden großen Bahnen.
Diese nennt er Elektronenschalen und gibt ihnen den Namen K-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schale usw.
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Be
Die Atomhülle
H He
Li
B C N O
Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen!
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Das Bohrsche Atommodell
Atomkern
Schale 1 (K)
Verbotene Zone
Schale 2 (L)
Schale 2 (L)
Elektron
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Zach Christian 2007
Aufbau der Elektronenhülle
1. Elektronen kommen in Schalen um den Kern vor.
2. In die erste Schale passen zwei Elektronen, in die zweite mehr.
3. Die Zahl der passenden Elektronen erhält man:
2n2, wobei n = Schalennummer
n=1 2 Elektronen
n=2 8 Elektronen
n=3 18 Elektronen
4. Die Zahl der Protonen und Elektronen ist immer gleich.
5. Deshalb sind Atome immer neutral.
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Zach Christian 2007
Die Elektronenhülle ist in
Energiestufen aufgebaut
Die Elektronen eines Atoms unterscheiden sich in der Entfernung zum Kern und ihrem Energiezustand.
Die Elektronen befinden sich nach diesem Modell in bestimmten Energiestufen (nach Bohr nennt man diese auch „Schalen“).
Die Elektronen der äußersten Energiestufe heißen Außenelektronen, sie spielen für die Chemie die entscheidende Rolle!
Die Elektronenanordnung lässt sich aus dem Periodensystem ablesen: Die Hauptgruppe entspricht der Zahl der Außenelektronen, die Periode entspricht der Zahl der Energiestufen.
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Zach Christian 2007
Die Elemente unterscheiden sich
durch die Masse ihrer Atome....
Al27
13Chem. Symbol
für Aluminium
MZ Massenzahl
27 ( + )
13
-
= 14
OZ Ordnungszahl
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Zach Christian 2007
und jedes Proton....
... kann genau ein Elektron halten!
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Zach Christian 2007
Wir bauen das Modell für Aluminium:
Al27
13
..enthält 27 Nukleonen
..davon sind 13 Protonen, die je 1 Elektron festhalten 14 Nukleonen sind also Neutronen
-
13
14
K-Schale max. 2 e-
L-Schale max. 8 e-
M-Schale also noch 3 e -
Diese Schale heisst auch
Valenzschale
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Zach Christian 2007
Edelgaskonfiguration? Na ja...
Atome sind dann „zufrieden“, wenn sie ihre Valenzschale mit 8 Elektronen gefüllt haben.
Dies erreichen sie, indem sie fehlende Elektronen stehlen oder überzählige abgeben.
Die Valenzschale von
Argon ist mit 8 e- voll!
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Zach Christian 2007
Regel: 8 wäre schön...
Atome haben das Bestreben, ihre äusserste Schale voll besetzt zu haben:
K-Schale: 2 e- L-Schale: 8 e- M- Schale: 8 e-
Dies erreichen sie durch Bindungen!
Sauerstoffatom
Valenzschale: 6 e-
Gemeinsame
Benützung
von je 2 e -
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Zach Christian 2007
Der Weg zum Kugelwolkenmodell
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, voll besetzt
N
Schreibweisen:
Elektronenformel
N
„Valenzstrichformel“
halb besetzt Kugelwolke,
Bsp.: ein Stickstoffatom N
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Zach Christian 2007
Kugelwolken einfach besetzt
Atomkerne
Kugelwolken doppelt besetzt
Kugelwolkenmodelle der Atome 1. & 2. Periode
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Zach Christian 2007
2. Periode
3. Periode
Kugelwolkenmodelle der Atome 1. Periode
4. Periode
Atomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzt
doppelt besetzt
Kugelwolken
Verhältnisse der Atomradien korrekt
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Zach Christian 2007
2. Periode Li Be B C N O F Ne
Na Cl 3. Periode
Ar
Kugelwolkenmodelle der Atome 1. Periode
He H
S
4. Periode K Atomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzt
doppelt besetzt
Kugelwolken
Verhältnisse der Atomradien korrekt
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Zach Christian 2007
2. Periode Li Be B C N O F Ne
Na Cl 3. Periode
Ar
Kugelwolkenmodelle der Atome
und Lewis-Formeln 1. Periode
He H
S
4. Periode K
Atomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzt
doppelt besetzt
Lewis-Schreibweise
einfach besetzter Aufenthaltsraum
doppelt besetzte Aufenthaltsräume
Kugelwolken
Verhältnisse der Atomradien korrekt
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Zach Christian 2007
2. Periode
3. Periode
Bauplan der Hauptgruppenelemente
Lewis-Formeln 1. Periode
4. Periode
Atomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzt
doppelt besetzt
Lewis-Schreibweise
einfach besetzter Aufenthaltsraum
doppelt besetzte Aufenthaltsräume
Kugelwolken
Verhältnisse der Atomradien korrekt
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Zach Christian 2007
Bauplan der Hauptgruppenelemente
einfach besetzt doppelt besetzt
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzter Aufenthaltsraum
doppelt besetzte Aufenthaltsräume
Periode
Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe
Periode
Periode
Periode
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Zach Christian 2007
Vom Atom zum Molekül...
Zwei Sauerstoffatome binden sich chemisch zu einem Molekül Sauerstoff.
Beide Atome können so zeitweise 8 Elektronen benützen.
Das Molekül ist der kleinste Teil einer Verbindung!
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Der Weg zur chemischen Bindung
Atomkern
Atomrumpf
Elektron
Bsp.: Methan CH4
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Der Weg zur chemischen Bindung
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, voll besetzt
halb besetzt Kugelwolke,
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Zur Schreibweise
N
H
H H
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, voll besetzt
halb besetzt Kugelwolke,
Valenzstrichformel
Bsp.: Ammoniak NH3
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Die Doppelbindung
Atomkern
Atomrumpf
halb besetzt Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
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Die Doppelbindung
Atomkern
Atomrumpf
halb besetzt Kugelwolke,
C C
Kugelwolke, voll besetzt
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Die Dreifachbindung
Atomkern
Atomrumpf
halb besetzt Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
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Die Dreifachbindung
Atomkern
Atomrumpf
halb besetzt Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
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Zach Christian 2007
Die Dreifachbindung
Atomkern
Atomrumpf
halb besetzt Kugelwolke,
C C
Kugelwolke, voll besetzt
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Zach Christian 2007
Edelgaszustand (Oktettregel)
Die Edelgase sind reaktionsträge, also chemisch stabil, weil sie keinen Bedarf an zusätzlichen Elektronen haben. Sie haben eine volle äußere Energiestufe.
Dieser Edelgaszustand der Elektronenhülle (Edelgaskonfiguration) wird von allen Atomen angestrebt.
In der jeweils äußersten Energiestufe finden zunächst acht Elektronen Platz. (Ausnahme Helium: zwei).
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Zach Christian 2007
Die EN im Periodensystem
Fluor hat die höchste EN.
Es folgen Sauerstoff, Stickstoff und Chlor.
Allgemein nimmt die EN im PSE von links unten nach rechts oben zu (Ausnahme: Edelmetalle)
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Zach Christian 2007
Ionisierungsenergien
Die äußeren Elektronen werden unterschiedlich stark festgehalten
Ionisierungsenergien der ersten 21 Elemente (in MeV)
hohe Ionisierungs-
energien bei den Edelgasen
Niedriege IE bei den Alkalimetallen (I. Hauptgruppe)
IE nimmt von links nach rechts zu