Die Welt des ganz Kleinen - mefa.jena.de · Vom Atom zum Molekül... Zwei Sauerstoffatome binden...

Zach Christian 2007

Atombau

Die Welt des ganz Kleinen

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

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

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

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.

Zach Christian 2007

Rutherfords Versuch

Radioaktives Präparat

Leuchtschirm

Goldfolie

Radioaktive Strahlen

Zach Christian 2007

Was wäre wenn...

Zach Christian 2007

Was wäre wenn...

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.

Zach Christian 2007

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.

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.

Zach Christian 2007

Der Atomkern

H He Li Be B C N O

Legende:

Protonen

Neutronen

Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von

Kernen!

Zach Christian 2007

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

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-

Zach Christian 2007

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.

Zach Christian 2007

Be

Die Atomhülle

H He

Li

B C N O

Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen!

Zach Christian 2007

Das Bohrsche Atommodell

Atomkern

Schale 1 (K)

Verbotene Zone

Schale 2 (L)

Schale 2 (L)

Elektron

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.

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.

Zach Christian 2007

Die Elemente unterscheiden sich

durch die Masse ihrer Atome....

Al27

13Chem. Symbol

für Aluminium

MZ Massenzahl

27 ( + )

13

-

= 14

OZ Ordnungszahl

Zach Christian 2007

und jedes Proton....

... kann genau ein Elektron halten!

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

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!

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 -

Zach Christian 2007

Der Weg zum Kugelwolkenmodell

Atomkern

Atomrumpf

Kugelwolke, voll besetzt

N

Schreibweisen:

Elektronenformel

N

„Valenzstrichformel“

halb besetzt Kugelwolke,

Bsp.: ein Stickstoffatom N

Zach Christian 2007

Kugelwolken einfach besetzt

Atomkerne

Kugelwolken doppelt besetzt

Kugelwolkenmodelle der Atome 1. & 2. Periode

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

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

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

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

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

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!

Zach Christian 2007

Der Weg zur chemischen Bindung

Atomkern

Atomrumpf

Elektron

Bsp.: Methan CH4

Zach Christian 2007

Der Weg zur chemischen Bindung

Atomkern

Atomrumpf

Kugelwolke, voll besetzt

halb besetzt Kugelwolke,

Zach Christian 2007

Zur Schreibweise

N

H

H H

Atomkern

Atomrumpf

Kugelwolke, voll besetzt

halb besetzt Kugelwolke,

Valenzstrichformel

Bsp.: Ammoniak NH3

Zach Christian 2007

Die Doppelbindung

Atomkern

Atomrumpf

halb besetzt Kugelwolke,

Kugelwolke, voll besetzt

Zach Christian 2007

Die Doppelbindung

Atomkern

Atomrumpf

halb besetzt Kugelwolke,

C C

Kugelwolke, voll besetzt

Zach Christian 2007

Die Dreifachbindung

Atomkern

Atomrumpf

halb besetzt Kugelwolke,

Kugelwolke, voll besetzt

Zach Christian 2007

Die Dreifachbindung

Atomkern

Atomrumpf

halb besetzt Kugelwolke,

Kugelwolke, voll besetzt

Zach Christian 2007

Die Dreifachbindung

Atomkern

Atomrumpf

halb besetzt Kugelwolke,

C C

Kugelwolke, voll besetzt

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).

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)

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