Aufbau und Atome

AUFBAU UND ATOME 9

In diesem Kapitel geht es um:

■ Elementarteilchen ■ die Masse von Atomen■ die Elektronenhülle

123

9.1 ElementarteilchenSind Atome unteilbar?

Atome sind keine starren Kugeln. Sie besitzen einen winzigen

■ Atomkern und eine

■ Atomhülle.

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die Atomhülle aus Elektronen. Man nennt sie daher auch Elektronenhülle.

In neutralen, d.h. nicht geladenen Atomen ist die Anzahl der Protonen und Elektronen gleich groß.

Protonen, Neutronen und Elektronen nennt man auch Elementarteilchen.

Die Masse der Elementarteilchen

Die tatsächliche Masse der Elementarteilchen (ausgedrückt in Gramm) ist außerordentlich gering. Man verwendet daher eine eigene Einheit, die Atommasseneinheit u. Die Masse der Elementarteilchen wird dann relative Masse bezeichnet.

124

9

Ernest Rutherford

Abb. 124.1

Helium-AtomAbb. 124.2

Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen.

Protonen und Neutronen haben die relative Masse von etwa 1u. Elektronen haben praktisch keine Masse.

Elementarteilchen Relative Masse Ladung

Proton p+ 1 u +1

Neutron n 1 u 0

Elektron e 0,001 u –1

Tab. 124.1

1 Rutherford, Ernest (1871-1937). Atomphysiker und Nobelpreisträger für Chemie entdeckte, dass ein Atom aus Atomkern und Elektronenhülle besteht.

Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über den Aufbau der Atome.

Ü 9.1 Ergänze folgenden Text: Der Atomkern besteht aus ____________ und ____________. Er ist ____________ geladen. Die Atomhülle besteht aus ____________. Sie ist ____________ geladen.

Ü 9.2 Was versteht man unter Elementarteilchen? Welche kennst du?

Ü 9.3 Ein Atom des Elementes Gold besteht aus 79 Protonen, 118 Neutronen und 79 Elektronen. Berechne seine ungefähre relative Masse.

Ü 9.4 Ein neutrales Natrium-Atom besitzt 11 Protonen. Wie groß ist die Anzahl der Elektronen?

125

Aufbau und Atome 9.2 Die Masse von AtomenAtome bestehen fast nur aus leerem Raum

Wie wir heute wissen, ist der Durchmesser des Atomkerns ungefähr 1000- bis 10 000-mal kleiner als das ganzen Atoms. Der Kern besteht aus Proto-nen und Neutronen. Elektronen besitzen praktisch keine Masse. Das heißt, dass die gesamte Masse eines Atoms im Kern konzentriert ist.

Beinahe unglaublich ist, was daraus folgt: Ein Eisenwürfel von 10 m Kan-tenlänge hat eine Masse von etwa 8 000 t. Könnte man alle Atom-kerne der in diesem Block enthaltenen Eisenatome zusammenfassen, würden sie nur das Volumen eines Stecknadelkopfes besitzen, der allerdings fast die Gesamtmasse des Eisenblocks, also rund 8 000 t, hätte. Mit Ausnahme des Volumens eines Stecknadelkopfes besteht der Eisenblock somit nur aus leerem Raum! Ein Airbus A380 besitzt im Vergleich dazu beim Start (also einschließlich Treibstoff) eine Masse von rund 400 t.

Ordnungszahl, Massenzahl

Protonen sind positiv geladene Teilchen im Kern. Ihre Anzahl nennt man daher auch Kernladungszahl oder Ordnungszahl (OZ). Alle Atome eines Elementes haben dieselbe Protonenzahl und damit die-selbe Ordnungs-zahl.

Protonen und Neutronen haben jeweils eine Masse von ungefähr 1 u, während Elektronen praktisch keine Masse haben (siehe Tabelle 118.1). Die Masse eines Atomkerns und damit des ganzen Atoms ist daher die Summe aus der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen. Sie wird als Massenzahl (MZ) bezeichnet. Das Element Natrium enthält z.B. 11 Protonen und 12 Neutronen. Seine Massenzahl ist daher 11 + 12 = 23.

Zur näheren Bezeichnung einzelner Atome wird die Massenzahl links ober-halb, die Ordnungszahl links unterhalb vor das betreffenden Elementsym-bol geschrieben, z.B.:11H 235

92U

Da mit der Angabe des Elementsymbols auch die Protonenzahl gegeben ist, wird häufig nur die Massenzahl angeschrieben, z.B. U-235 bzw. U-238.

Abb. 125.1

Alle Atomkerne von 20 Flugzeugen des Typs Airbus A380 hätten ungefähr ein Volumen von einem Stecknadelkopf und eine Masse von etwa 8 000

Kern eines Natrium-Atoms mit 11 Protonen und 12 Neutronen

Abb. 125.2

Die Ordnungszahl ist die An-zahl der Protonen, die Massen-zahl die Summe von Protonen und Neutronen.

Schreibweise: MZOZ Symbol

Beispiel 9.1 Wie viele Protonen und Neutronen besitzt das Element 19

9F (F-19)?

Die Ordnungszahl ist 9. Das Element besitzt daher 9 Protonen. Die Massenzahl ist 19, daher sind im Kern

19 – 9 = 10 Neutronen vorhanden.

Mit den folgenden Übungen kannst du grundlegende Begriffe des Atombaus wiedergeben.

Ü 9.5 Was versteht man unter Ordnungszahl eines Atoms?

Ü 9.6 Was versteht man unter Massenzahl eines Atoms?

Ü 9.7 Bestimme bei folgenden Atomen jeweils Ordnungszahl, Massenzahl, Anzahl der Protonen und Neutro-nen (verwende dazu auch das Periodensystem auf Seite xxx):

21H 238

92U 188O 34

16S 13153I C-12 N-14

9

126

9Isotope

Viele Elemente besitzen verschiedene Arten von Atomen, die dieselbe Anzahl von Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen besitzen. Solche Atome eines Elementes nennt man Isotope.

Vom Element Chlor kennt man z.B. die beiden Isotope:

3517CI 37

17CI35 – 17 = 18 Neutronen 37 – 17 = 20 Neutronen

Das in der Natur vorkommende Chlor setzt sich zu ungefähr 75 % aus Chlor-35 und zu 25 % aus Chlor-37 zusammen. Die durchschnittliche Masse eines Chlor-Atoms beträgt also 35,5 u. Diese durchschnittlichen Massen sind im Periodensystem bei den einzelnen Elementen angeführt.

35 · 75 + 37 · 25100 = 35,5

Die Isotope eines Elements besitzen gleiche chemische Eigenschaften. Sie können aber durchaus unterschiedliche physikalische Eigenschaften wie etwa verschieden lange Halbwertszeiten aufweisen.

Radioaktivität

Für jede Protonenzahl gibt es eine optimale Neutronenzahl, sodass ein stabiler Kern entsteht. Bei einem ungünstigen Verhältnis von Protonen und Neutronen wird der Kern instabil und zerfällt von selber, er ist radioaktiv.

Die Radioaktivität wurde von Henri Becquerel1 im Jahr 1896 entdeckt: Wäh-rend seiner Arbeit mit Uranverbindungen stellte er zufällig fest, dass diese unsichtbare Strahlen aussandten, die in der Lage waren, Papier zu durch-dringen und Fotoplatten zu schwärzen.

Aufbauend auf dieser Entdeckung gelang es Marie Curie2 und ihrem Mann Pierre Curie aus dem Mineral Pechblende zwei besonders stark strahlende Elemente zu isolieren. Zu Ehren von Marie Curies Heimatland Polen nann-ten sie das eine Element „Polonium“, das andere „Radium“ (das „Strahlen-de“), weil es mehr als hunderttausendfach stärker strahlte als das Uran.

Blei mit der Ordnungszahl 82 ist das letzte Element mit stabilen Isoto-pen. Ab der Ordnungszahl 83 sind alle Elemente radioaktiv: die Anhäufung von positiven Ladungen macht den Kern instabil. Elemente mit einer Ord-nungszahl unter 83 besitzen radioaktive Isotope („Radioisotope“).

Bei den ausgesandten Strahlen unterscheidet man α-Strahlung, β-Strahlung und die γ-Strahlung3.

Die γ-Strahlung ist ähnlich der Röntgenstrahlung, aber wesentlich ener-giereicher und daher gefährlicher. γ-Strahlung kann Materie durchdringen und in lebendem Gewebe großen Schaden anrichten.

Unterschiedlich sind auch die Möglichkeiten zur Abschirmung der radio-aktiven Strahlung. α-Teilchen werden bereits durch Papier, β-Teilchen durch Aluminiumblech abgehalten. Für die Abschirmung von γ-Strahlung ist eine mindestens 5 cm dicke Bleiplatte erforderlich.

Ein Maß für die Abnahme der radioaktiven Strahlung ist die Halbwerts-zeit. Man versteht darunter jene Zeit, nach der nur mehr die Hälfte eines radioaktiven Stoffes vorhanden ist. Sie kann von Bruchteilen von Sekunden bis zu Milliarden von Jahren betragen. Durch die Reaktorkatastrophe in Fukushima im März 2011 ist u.a. das radioaktive Isotop Cs-137 in die Umwelt gelangt. Seine Halbwertszeit beträgt ungefähr 30 Jahre. Das heißt, im Jahr 2041 wird noch ca. die Hälfte, im Jahr 2071 ca. ¼ usw. des ausgetretenen Cäsiums in der Umwelt vorhanden sein.

Isotope sind Elemente mit derselben Protonenzahl und verschiedener Neutronenzahl. Sie besitzen daher auch eine unterschiedliche Masse.

1 Becquerel, Henri (1852–1908). Professor für Physik in Paris. 1903 Nobelpreis für Physik2 Curie, Marie (1867–1934). Physikerin und Chemikerin. 1903 Nobelpreis für Physik, 1911 für Chemie3 α (alpha), β (beta) und γ (gamma) sind die ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets

Henry Becquerel

Abb. 126.1

Marie Curie

Abb. 126.2

Radioaktivität ist die Eigen-schaft von Atomkernen, ohne äußere Einwirkung zu zerfallen. Sie geben dabei Energie in Form von Strah-lung ab (α-, β- und γ-Strahlung).

Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Hälfte der Atomkerne der An-fangsmenge zerfallen ist.

Abb. 126.3

127

Aufbau und Atome

1 Bohr, Niels (1885–1962). Bohr war Schüler Rutherfords. Er erhielt 1922 den Nobelpreis für Physik für seine Verdienste um die Erforschung der Struktur der Atome und der von ihnen ausgehen-den Strahlung

2 Dieses Modell erklärt einige Eigenschaften der Elemente sehr gut, manche Eigenschaften aber gar nicht. Andere – kompliziertere – Modelle können mehr erklären.

Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über Isotope.

Ü 9.8 Was sind Isotope?

Ü 9.9 Es gibt drei verschiedene Silicium-Atome: 2814Si, 29

14Si und 3014Si Wie viele Protonen und Neutronen be-

sitzt jedes dieser Isotope?

Ü 9.10 Die wichtigsten Kupfer-Isotope sind Cu-63 und Cu-65. Ungefähr 70 % aller Kupfer-Atome sind Cu-63, 30 % Cu-65. Was ist die durchschnittliche Masse von Kupfer-Atomen?

Ü 9.11 In einem Labor hat man am heutigen Tag genau 80 mg vom Isotop Iod-131. Wann sind nur mehr 10 mg des Isotops vorhanden? (Die Halbwertszeit von Iod-131 beträgt 8 Tage.)

9.3 ElektronenhülleDie negativen Ladungen der Elektronen in der Atomhülle gleichen die posi-tiven Ladungen der Protonen im Kern aus.

Bei ungeladenen (neutralen) Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elek-tronen gleich groß. In einem Fluor-Atom sind z.B. 9 Protonen und 9 Elektro-nen, in einem Natrium-Atom 11 Protonen und 11 Elektronen enthalten.

In Ionen überwiegen entweder die Protonen oder die Elektronen. In Anio-nen (negativ geladen) sind mehr Elektronen als Protonen enthalten (z.B. Fluor-Anion F–). In Kationen (positiv geladen) sind mehr Protonen als Elekt-ronen vorhanden (z.B. Natrium-Kation Na+).

Bohr’sches Atommodell (Schalenmodell)

Die Atomhülle besteht aus Elektronen. Doch wie kann man sich die Ver-teilung der Elektronen in der Hülle vorstellen? Diese Frage beantwortet ein sehr einfaches Atommodell des dänischen Physikers Niels Bohr1.

In diesem Bohr’schen Atommodell2 (Schalenmodell) besteht die Elektro-nenhülle aus sieben Schalen. Sie werden von innen nach außen mit den Buchstaben K bis Q bezeichnet. Die Elektronen bewegen sich auf diesen Schalen um den Atomkern, vergleichbar den Bewegungen der Planeten um die Sonne.

Je weiter die Schale vom Kern entfernt ist, umso mehr Elektronen kann sie aufnehmen.

Neutrale Atome enthalten gleich viele Protonen und Elek-tronen.

Kationen (positiv geladen) enthalten mehr Protonen als Elektronen.

Anionen (negativ geladen) enthalten mehr Elektronen als Protonen.

Abb. 127.1

Abb. 127.3

Abb. 127.2

Abb. 127.4

Niels Bohr

Abb. 127.4

Fluor-Atom (9 p+/9 e–): F

Fluorid-Anion (9 p+/10 e–): F–

Natrium-Atom (11 p+/11 e–): Na

Natrium-Kation (11 p+/10 e–): Na+

128

9

Elektronenanordnung von Natrium 2, 8, 1

Abb. 128.1

Die einzelnen Schalen werden von innen nach außen mit Elektronen aufge-füllt. Das Element Fluor besitzt z.B. 9 Elektronen. Davon befinden sich 2 in der K-Schale und 7 in der L-Schale. Die Elektronenanordnung von Fluor ist daher 2, 7.

Natrium besitzt 11 Elektronen. Von diesen sind 2 in der K-Schale, 8 in der L-Schale und 1 in der M-Schale. Die Elektronenanordnung ist also 2, 8, 1.

SchaleMaximale Anzahl der Elektronen pro Schale

K 2

L 8

M 18

N 32

Tab. 128.1

9

Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über Ionen und Atombau.

Ü 9.12 Was sind „Ionen“? Welche Arten gibt es?

Ü 9.13 Gib von folgenden Atomen bzw. Ionen die Anzahl der Elektronen an (in der Klammer stehen die Ord-nungszahlen):

a) Si (14) b) Mg2+ (12) c) O2– (8) d) Li+ (3) e) Al (13) f) Sr (38) g) Sr2+ h) Hg (80) i) Cl– (17) j) Al3+ (13) k) Ag (47) l) Br– (35) m) S2– (16)

Ü 9.14 Was ist die Elektronenanordnung folgender Elemente (in der Klammer stehen die Ordnungszahlen)? a) Si (14) b) O (8) c) Al (13) d) Mg (12) e) S (16) f) He (2) g) H (1)

Ü 9.15 Es sind die Elektronenanordnungen einiger Elemente gegeben. Um welche Elemente handelt es sich (verwende dazu auch das Periodensystem): a) 2, 2 b) 2, 8, 5 c) 2, 8, 8

Periodensystem der Elemente

PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE 10

In diesem Kapitel geht es um:

■ den Aufbau des Periodensystems ■ einige Elementfamilien ■ die Elektronenanordnung der Edelgase

129

10.1 Aufbau des PeriodensystemsEinteilung in Gruppen

Die gesamte Materie ist nur aus etwa 100 verschiedenen Elementen aufge-baut. Um eine Übersicht über alle Elemente zu bekommen, ist es notwen-dig, sie zu ordnen. Man verwendet dazu ihre chemischen Eigenschaften. Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften werden wie Bücher in einer Bibliothek (Abb. 124.1) zu Gruppen („Elementfamilien“) zusammen-gefasst. So gibt es z.B. die Gruppen der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle, der Halogene, der Edelgase usw.

Worauf beruht die Ähnlichkeit der Eigenschaften unter den Elementen ei-ner Gruppe? Betrachten wir die Elektronenanordnung der Elemente Lithium und Natrium: es zeigt sich, dass beide Elemente jeweils ein Elektron in der äußersten Schale besitzen. Lithium hat ein Elektron in der L-Schale, Natri-um ein Elektron in der M-Schale.

Elemente der Gruppe der Erdalkalimetalle (z.B. Beryllium, Magnesium) besitzen zwei Elektronen in der äußersten Schale, Elemente der Gruppe der Halogene (z.B. Fluor, Chlor) sieben Elektronen in der äußersten Schale usw.

Die Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale ist also die Ursache für die ähnlichen Eigenschaften der Elemente einer Gruppe.

Reihung der Elemente im Periodensystem

Die bis heute beste Ordnung der Elemente ist das Periodensystem. Es stammt von den beiden Wissenschaftlern Lothar Meyer1 und Dimitrij Iwa-nowitsch Mendelejew2, die die Systematik der chemischen Elemente im Jahr 1869 völlig unabhängig voneinander erarbeitet haben.

Die Elemente einer Gruppe werden untereinander und die einzelnen Grup-pen nebeneinander geschrieben. Geht man von einem Element zum nächs-ten, steigt die Ordnungszahl an, es kommen jeweils ein Proton und damit ein Elektron dazu. Das Periodensystem besteht somit aus 7 waagrechten Zeilen (Perioden) und 18 senkrechten Spalten (Gruppen) – siehe Perioden-system auf Seite xxx.

130

Dimitrij Mendelejew

Lothar Meyer

Abb. 130.4

Abb. 130.3

10

Lithium und Natrium besitzen jeweils ein Elektron in der äußersten Schale

Abb. 130.2

Abb. 130.1

Bücher werden in einer Bibliothek nach Gruppen geordnet (z.B. Reisen, Abenteuer, Krimis, Sachbücher usw.)

Alkalimetalle:

Lithium (Li – OZ 3): 2, 1

Natrium (Na – OZ 11) 2, 8, 1

Erdalkalimetalle

Beryllium (Be – OZ 4) 2, 2

Magnesium (Mg – OZ 12) 2, 8, 2

Halogene

Fluor (F – OZ 9) 2, 7

Chlor (Cl – OZ 17) 2, 8, 7

Elemente einer Gruppe besit-zen dieselbe Anzahl von Elekt-ronen in der äußersten Schale und haben daher ähnliche Eigenschaften.

1 Meyer, Lothar Julius (1830–1895). Professor für Chemie und Physik in Eberswalde,2 Mendelejew, Dimitrij Iwanowitsch (1834–1907). Dozent für Chemie in Petersburg

131

In Perioden stehen Elemente mit gleicher Anzahl von Schalen

Betrachten wir die Elektronenanordnung der Elemente mit den Ordnungs-zahlen 1 bis 18 (siehe Tabelle125.1): Die erste (K-)Schale kann nur zwei Elek-tronen aufnehmen. Daher ist sie bereits beim Helium voll besetzt. In der ersten Periode stehen somit auch nur zwei Elemente, der Wasserstoff und das Helium. Beim Element Lithium mit der Ordnungszahl 3 wird das letzte hinzukommende Elektron in die L-Schale eingebaut. Beim Element Neon (Ordnungszahl 10) ist auch diese Schale voll besetzt, und das nächste Elekt-ron kommt beim Element Natrium (Ordnungszahl 11) in die M-Schale, usw.

Periodensystem der Elemente

Mit jeder neuen Periode beginnt die Besetzung einer neuen Schale in der Elektro-nenhülle. Somit besitzen alle Elemente einer Periode dieselbe Anzahl von Schalen.

Vereinfachter Aufbau des PeriodensystemsAbb. 131.2

Element OZ e– K L M

Wasserstoff 1 1 1

Helium 2 2 2

Lithium 3 3 2 1

Beryllium 4 4 2 2

Bor 5 5 2 3

Kohlenstoff 6 6 2 4

Stickstoff 7 7 2 5

Sauerstoff 8 8 2 6

Fluor 9 9 2 7

Neon 10 10 2 8

Natrium 11 11 2 8 1

Magnesium 12 12 2 8 2

…

Chlor 17 17 2 8 7

Argon 18 18 2 8 8

…

Tab. 131.1

10

132

Abb. 132.1

10Elemente einer Gruppen enthalten gleiche Anzahl von Außenelektronen

Aus der Stellung eines Elementes im Periodensystem lässt sich dessen Elektronenanordnung ableiten:

■ Die Periodennummer gibt die Anzahl der Schalen an,

■ die Gruppennummer gibt die Anzahl der Außenelektronen an. Von ihr sind die Eigenschaften eines Elementes abhängig.

Tabelle 125.2 gibt den Zusammenhang zwischen Gruppennummer und Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale an.

Ausnahmen

■ Helium besitzt nur zwei Außenelektronen, wird aber auf Grund seiner Eigenschaften zu den Edelgasen mit 8 Außenelektronen gezählt.

■ Wasserstoff besitzt wie die Alkalimetalle (Lithium, Natrium, Kalium usw.) nur ein Elektron in der äußersten Schale, hat aber völlig andere Eigenschaften. Wasserstoff wird daher separat angeschrieben und steht nicht in der 1. Gruppe.

Metalle – Nichtmetalle

Im Periodensystem stehen die Metalle auf der linken Seite, die Nichtmetal-le auf der rechten Seite. Im Übergangsbereich befinden sich Elemente, die sowohl metallische als auch nichtmetallische Eigenschaften besitzen. Man nennt sie Halbmetalle.

Das Periodensystem der Ele-mente beruht auf der Elektro-nenanordnung in den Atomen.

Die 7 Perioden enthalten jeweils Elemente mit derselben Anzahl von Schalen.

Die 18 Gruppen enthalten jeweils Elemente mit derselben Anzahl von Elektronen in der äußersten Schale.

Gruppen Nr. Zahl der Außenelektronen

1 1

2 2

3 bis 12 (meist) 2

13 bis 18 3 bis 8

Tab. 132.1

Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über das Periodensystem

In Abb. 125.2 sind die Buchstaben A bis H keine chemischen Symbole. Sie stehen für chemische Elemente und sie beziehen sich auf folgende Fragen:

Ü 10.1 Welches dieser 8 Elemente hat die höchste Ordnungszahl?

Ü 10.2 Bestimme die Elektronenanordnung des Elementes „D“.

Ü 10.3 Welches dieser Elemente hat die größte Anzahl von Elektronen

in der äußersten Schale?

Ü 10.4 Welches dieser Elemente hat die größte Anzahl von Schalen?

Ü 10.5 Welches dieser Elemente besitzt nur ein Elektron?

Ü 10.6 Suche im Periodensystem die chemischen Symbole der Elemente A bis H.

Ü 10.7 Gib von jedem Element die Anzahl seiner Schalen und die Elektro-nen in der äußersten Schale an (verwende dazu die Tabelle 125.2).

Abb. 132.2

133

Periodensystem der Elemente 10.2 Besondere ElementfamilienGruppe 1 – Alkalimetalle

■ Die Alkalimetalle bilden die 1. Gruppe im Periodensystem und besitzen 1 Elektron in der äußersten Schale.

■ Sie sind grau, weich und lassen sich mit dem Messer schneiden. An der Schnittfläche sind sie silberglänzend.

■ Alkalimetalle sind sehr reaktionsfähig. Bei der Reaktion mit Wasser entstehen eine Lauge und Wasserstoff (s. Experiment). Alkalimetalle dürfen daher nicht an der Luft gelagert werden. Sie werden in Petroleum aufbewahrt.

■ Verbindungen der Alkalimetalle können eine Flamme färben (s. Experi-ment).

Gruppe 2 – Erdalkalimetalle

■ Die Erdalkalimetalle bilden die 2. Gruppe im Periodensystem und besit-zen 2 Außenelektronen.

■ Sie haben ähnliche Eigenschaften wie die Alkalimetalle, sind aber weni-ger reaktionsfähig. Sie können daher an der Luft gelagert werden.

■ Magnesium verbrennt mit einer grellen Flamme zu Magnesi-umoxid.

■ Verbindungen der Erdalkalimetalle können ebenfalls eine Flamme fär-ben. Sie werden daher zur Herstellung von Feuerwerken verwendet.

Kleine Mengen von Lithium, Natrium und Kalium werden der Rei-he nach in eine zu 2/3 mit Wasser gefüllte Glasschale gegeben. Die Alkalimetalle ragieren mit dem Wasser. Unter Bildung von Wasserstoff entstehen Laugen z.B.:

Natrium + Wasser → Natronlauge und Wasserstoff.

Die Reaktion wird von Lithium zu Kalium immer heftiger. Das Kalium schmilzt durch die Reaktionswärme und der gebildete Wasserstoff entzündet sich.

Bringt man wässrige Lösungen von Verbindungen der Alkalimetalle (zB LiCl, NaCl, KCl) mit Hilfe eines Platindrahtes in die Flamme eines Bunsenbrenners, so zeigen sich charakteristische Flammenfärbungen:

Lithium: rot, Natrium: intensiv gelb, Kalium: violett

Abb. 133.1

Abb. 133.3

Abb. 133.2

Alkalimetalle Natrium und Kalium(links: Natrium, rechts: Kalium)

Kein Feuerwerk ohne Alkali- und Erdalka-limetalle

Flammenfärbung (Li-Na-K-Rb-Cs)

134

1010Gruppen 3 bis 12 – Übergangselemente

■ Die Übergangselemente bilden die Gruppen 3 bis 12 im Periodensystem. Sie besitzen meist 2 Außenelektronen.

■ Alle Übergangselemente sind Metalle. Zu ihnen zählen z.B. die Elemente Eisen, Kupfer, Zink, Gold, Silber, Quecksilber (siehe Periodensystem auf Seite xxx)

Gruppe 17 – Halogene

■ Die Halogene bilden die 17. Gruppe im Periodensystem und besitzen 7 Außenelektronen.

■ Sie sind Nichtmetalle.

■ Sie sind sehr reaktionsfähig. Chlor reagiert z.B. mit Natrium zu Natrium-chlorid (Kochsalz).

■ Chlor wird als Bleichmittel und Desinfektionsmittel (z.B. in Schwimmbä-dern) verwendet.

■ Verbindungen von Fluor sind in Zahnpasten enthalten um Karies vorzu-beugen.

■ Chlor ist ein wichtiger Rohstoff. Es wird beispielsweise zur Herstellung von Salzsäure oder dem Kunststoff PVC benötigt.

Gruppe 18 – Edelgase

■ Die Edelgase bilden die 18. Gruppe im Periodensystem. Sie besitzen mit Ausnahme von Helium 8 Elektronen in der äußersten Schale.

■ Sie sind farblose Gase, sind sehr reaktionsträge und nicht brennbar.

■ Sie kommen nur in geringer Menge in Form von Einzelatomen in der Luft vor.

■ Helium wird zum Füllen von Ballonen verwendet, weil es leichter als Luft und unbrennbar ist.

■ Edelgase werden für Leuchtreklamen, zum Füllen von Leuchtmitteln (z.B. Xenonlampen für Autoscheinwerfer) verwendet.

Die Geschichte der Entdeckung der Edelgase

1785 hatte der englische Gelehrte Henry Cavendish gezeigt, dass Luft neben Stickstoff und Sauerstoff mindestens einen dritten Bestandteil enthalten müsse. Aber erst 1894, als schon die meisten natürlichen Elemente bekannt waren, gelang den beiden englischen Forschern Ramsay und Rayleigh die Isolierung des ersten Edelgases aus der Luft. 1892 war Lord Rayleigh aufge-fallen, dass der aus Luft gewonnene Stickstoff eine größere Dichte besaß als der durch Zersetzung von Stickstoffverbindungen erzeugte. Ramsay zog daraus den richtigen Schluss, dass „Luftstickstoff“ noch ein anderes, unbekanntes Gas enthalten müsse. Er isolierte diese Substanz und nannte sie Argon (griech. „träge“). Die Suche nach weiteren Elementen mit ähn-lichen Eigenschaften war schon bald erfolgreich. Ramsay wies nach, dass aus bestimmten Mineralien ein Gas entwich, das identisch war mit einer Substanz, die in der Sonne enthalten ist: Helium (griech. „Sonne“). Etwa zur selben Zeit wurde vom deutschen Ingenieur Carl von Linde ein Verfahren zur Verflüssigung von Luft entwickelt. Ramsay nützte dieses Verfahren, um Argon zu verflüssigen und fand bei dessen Trennung durch Destillation drei neue Edelgase, das Krypton (griech. „verborgen“), das Neon (griech. „neu“) und das Xenon (griech. „fremd“). Das radioaktive Radon konnte allerdings erst 1910 von Ramsay näher charakterisiert werden.

Abb. 134.1

Abb. 134.2

Abb. 134.4

Abb. 134.3

Walt-Disney-Concert Hall in Los Angeles aus rostfreiem Stahl

Chlor wird zum Desinfizieren von Schwimmbädern verwendet.

Leuchtreklamen

Periodensystem der Elemente

135

Periodensystem der Elemente

Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über das Periodensystem und einige besondere Elementfamilien.

Ü 10.8 Warum besitzen Elementfamilien ähnliche Eigenschaften?

Ü 10.9 Warum müssen die Alkalimetalle unter Petroleum aufbewahrt werden?

Ü 10.10 Welches Element ist reaktionsfähiger: Natrium oder Magnesium?

Ü 10.11 Welche der folgenden Elemente sind Übergangselemente? Bari-um, Natrium, Eisen, Cobalt, Chlor, Mangan, Gold, Silber, Calcium, Kupfer, Aluminium, Zink, Wasserstoff, Krypton (verwende dazu das Periodensystem auf Seite xxx).

Ü 10.12 Suche in deiner Umgebung nach Gegenständen, die aus

Übergangselementen bestehen.

Ü 10.13 Welcher Buchstabe A bis H steht in Abb. 127.3 für ein Alkalimetall, Erdalkalimetall, Übergangselement, Halogen bzw.Edelgas?

Ü 10.14 Verschiedenen Glühlampen enthalten Iod. Zu welcher Elementfa-milie gehört das Element Iod und wie nennt man diese Art der Glühlampen?

Abb. 135.1

10.3 Elektronenanordnung der Edelgase

Edelgaskonfiguration

Edelgase besitzen

■ 8 Elektronen in der äußersten Schale (mit Ausnahme von Helium, das 2 besitzt) und sind daher

■ außerordentlich reaktionsträge.

Diese besondere Anordnung von 8 Elektronen in der äußersten Schale nennt man auch Elektronenoktett oder Edelgaskonfiguration. Sie stellt eine ideale und besonders stabile Elektronenanordnung dar. Diese wird auch von allen anderen Elementen angestrebt. Atome können solche abgeschlossenen äußeren Schalen z.B. durch Aufnahme bzw. Abgabe von Elektronen erreichen.

Beispiel 10.1 Wie erreicht Mg (OZ = 12) ein stabiles Elektronenoktett?

Mg hat 12 p+ und 12 e– (2, 8, 2).

Durch Abgabe der beiden Elektronen in der M-Schale entsteht ein Elektronenoktett in der L-Schale.

Jetzt besitzt Mg nur mehr 10 e–, und hat daher die Ladung 2+.

Mg Mg2+

2, 8, 3 2, 8

Jedes Element strebt nach einer Edelgaskonfiguration. Es erreicht diese durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen.

Abgabe von 2e–

136

10Je näher ein Atom der Edelgaskonfiguration ist, umso leichter wird es Elektron(en) aufnehmen und Anionen bilden. Z.B.: Chlor steht in der 17. Gruppe und hat daher 7 Außenelektronen. Durch Aufnahme von einem Elektron erreicht es 8 Elektronen in der äußersten Schale. Dabei bildet sich ein Chlor-Anion (Cl–).

Je geringer die Anzahl der Außenelektronen ist, umso leichter wird das Atom Elektron(en) abgeben und Kationen bilden. Z.B.: Natrium steht in der 1. Gruppe und hat daher 1 Außenelektron. Durch Abgabe dieses Elekt-rons erreicht es 8 Elektronen in der äußersten Schale. Dabei bildet sich ein Natrium-Kation (Na+).

Ein Chlor-Atom nimmt ein Elektron auf und bildet ein Cl–-Ion.

Ein Natrium-Atom gibt ein Elektron ab und bildet ein Na+-Ion.

Abb. 136.1

Abb. 136.2Bildung von IonenAbb. 136.3

Mit den folgenden Übungen kannst du einen Zusammenhang herstellen zwischen dem Aufbau der Elektro-nenhülle und der Bildung von Ionen.

Ü 10.15 Welche der folgenden Elemente geben Elektronen ab und bilden Kationen, welche nehmen Elektro-nen auf und bilden Anionen? Natrium, Fluor, Calcium, Chlor, Lithium, Brom, Magnesium

Ü 10.16 Das Element Fluor besitzt die Ordnungszahl 9. a) Wie viele Protonen und Elektronen besitzt es? b) Wie sind die Elektronen auf die einzelnen Schalen verteilt? c) Wie kann ein Fluor-Atom ein Elektronenoktett erreichen? Wie ist es dann geladen?

Ü 10.17 Das Element Kalium steht in der ersten Gruppe des Periodensystems. a) Wie viele Elektronen besitzt es in der äußersten Schale? b) Wie kann ein Kalium-Atom ein Elektronenoktett erreichen? Wie ist es dann geladen?

Ü 10.18 Zeichne das Schalenmodell des Atoms Sauerstoff (OZ = 8). Wie erreicht es eine Edelgaskonfiguration?

Ü 10.19 Welches Element der folgenden Paare wird leichter ein Elektron abgeben: Chlor oder Kalium; Alumini-um oder Helium; Natrium oder Brom?

Ü 10.20 Welches Element der folgenden Paare wird leichter ein Elektron aufnehmen: Iod oder Kalium; Sauer-stoff oder Argon; Natrium oder Brom?

Periodensystem der Elemente

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Ü 10.21 Löse folgendes Kreuzworträtsel. (Alle Begriffe stammen aus den Kapiteln Atombau und Periodensystem.)

Waagrecht Senkrecht3. Übergangselement 1. positiv geladenes Ion7. Wird zum Füllen von Ballons verwendet 2. Halogen8. Befindet sich in der Atomhülle 3. Metall10. Erstes Element der 13. Gruppe 4. Abkürzung für Periodensystem der Elemente11. Element mit dem chem. Symbol Sn 5. chemisches Symbol für Aluminium15. Atome mit der gleichen Ordnungszahl und verschiedener Massenzahl 6. Kernbaustein 9. Vorname von Meyer18. Übergangselement 12. geladenes Teilchen20. negativ geladenes Ion 13. Kernbaustein23. Edelgas 14. chem. Symbol für Eisen25. Halogen 16. Kunststoff, der aus Chlor hergestellt wird27. kleinstes Teilchen eines Elements 17. Edelgas28. senkrechte Spalte im Periodensystem 19. Alkalimetall30. chem. Symbol für Argon 21. Vorname von Bohr31. Nobelpreisträger für Physik 22. Abkürzung für Ordnungszahl33. Halogen 24. Element mit dem chem. Zeichen Au34. Abkürzung für Massenzahl 26. chem. Symbol von Quecksilber36. Polnische Wissenschafterin 29. horizontale Zeile im Periodensystem 32. Entdecker des ersten Edelgases 35. chem. Symbol von Brom