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Atome und Bau von Molekülen
7/21/2019 Einfuehrung Atombau Pse
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Zach Christian 2007
AtombauAtombauDie Welt des ganz Kleinen
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Zach Christian 2007
Modellvorstellungen alsModellvorstellungen als
VerständnishilfenVerständnishilfenStoffebene Teilchenebene
• Elemente sind
Grundstoffe
• Atome sind
Grundbausteine• Stoffe knnen
elektris!h geladensein
• Atome bestehen ausgeladenenElementarteil!hen
• Elemente reagierenzu Verbindungen inbestimmtenMengenverhältnissen
• Die Atome verbindensi!h in bestimmten"ahlenverhältnissen
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Zach Christian 2007
#$%%
%
$%%
&%%%
&$%%
'%%%
DEMOKRIT: „Atomos“, das Atom gedacht als unteilbares Teilchen
EPIKR: „!hem" #indung“
ARI$TOTE%E$: „& Elemente: 'euer, (asser, Erde, %u)t“
*+++ ahre „Kirchen-a.uum“:
('' v) *hr) + &,(' n) *hr)
Aristotelisches (eltbild /ird dogmatisch0bernommen, „Ket1er“ hingerichtet"
DA%TO2: 3" und *" 4erbindungsgeset1
A4O5ADRO: 5ase, Mole.0le
'ARADA6: ele.trische 2atur der Atome
RT7ER'ORD: Treu-ersuche
#O7R8 P%A2!K, 7EI$E2#ER5: Orbitaltheorie
5A$$E2DI, KEP%ER, 5A%I%EI
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Ent-i!klung der AtommodelleEnt-i!klung der Atommodelle Atombegriff na!h Demokrit .!a) (%% v) *hr)/0
Das Atom als philosophisch erdachtes „unteilbares“ Teilchen.
Atomtheorie der 1euzeit na!h Dalton .!a)&2%$/0 Atome sind die kleinsten, unteilbaren Teilchen der Elemente.
Kern#34lle#Modell na!h 5utherford .&6%%/0 Atome bestehen aus geladenen Elementarteilchen, der Atomkern istnur 1/1. des Atoms gro!.
Energiestufenmodell na!h 7ohr .!a) &6'%/0Die Atomh"lle besteht aus Elektronen, die nach ihrem
Energiegehalt in Energiestufen eingeteilt #erden k$nnen.
Kugel-olkenmodell
8uantenme!hanis!hes 9rbitalmodell
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Ruther)ord dringt ins Innere ein"""Ruther)ord dringt ins Innere ein"""
5utherford: Ernest: ;ord of 1elson and*ambridge .&2<&#&6(</: britis!her =h>siker: der f4r
seine bahnbre!hende Arbeit in der Kern?h>sik und f4rseine @heorie zur Atomstruktur den 1obel?reis erhielt) Anhand von Strahlungsuntersu!hungen stellte
5utherford seine @heorie der Atomstruktur auf: in der das
Atom erstmalig als di!hterKern mit ihn umkreisendenEle.tronen bes!hrieben-urde)
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Ruther)ords 4ersuchRuther)ords 4ersuch
5adioaktives =rä?arat
;eu!hts!hirm
Goldfolie
5adioaktive Strahlen
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(as /9re /enn"""(as /9re /enn"""
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(as /9re /enn"""(as /9re /enn"""
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Der $treu-ersuchDer $treu-ersuch von Rutherford von Rutherford
Das Kern-Hülle-Modell : Atome bestehen auseinem /in1igen, ositi- geladenen Kern und
einer riesigen, negati- geladenen
Ele.tronenh0lle"
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Die #edeutung -on KernteilchenDie #edeutung -on Kernteilchen
Elemente unters!heiden si!h dur!h die "ahl ihrer=rotonen) 1eutronen s?ielen hierbei keine 5olle)
Aufeinander folgende Elemente im =SE besitzenimmer genau ein =roton mehr )
"u edem =roton muss in der S!hale ein Elektron eBistieren) Elektronen bestimmen die !hemis!hen
Eigens!haften eines Elementes)
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Die #edeutung -on KernteilchenDie #edeutung -on Kernteilchen
Ce =roton bentigt man mindestens ein 1eutron:damit der Kern stabil ist)
7is zum Element D%*a gilt0 e =roton genau
ein 1eutron: dana!h -erden es mehr)
7s?)0 E
'(2
6'
'(2 1u # 6' ? F &, n
&, n 0 6' ? F &:,
Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt edes
Element au!h 1eutronen im Kern)
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Der AtomkernDer Atomkern
3 3e ;i 7e 7 * 1 9
%egende:
Protonen
2eutronen
Aufgabe0 entde!ke die Gesetzmäigkeit beim Aufbauen von
KernenH
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Isoto?eIsoto?e
3 ;i * 1 9
'3 %:%&$
&3 66:6
(3
,;i <:$
<;i 6':$
&'* 62:6
&(* &:&
&1 66:,
&$1 %:
&,9 66:<
&<9 %:&
&29 %:'
J
1at)
Vor#kom
men
Aufgabe0 entde!ke die Definition: -as Isoto?e sindH
Isoto? & Isoto? & Isoto? & Isoto? & Isoto? &Isoto? ' Isoto? ' Isoto? ' Isoto? ' Isoto? 'Isoto? ( Isoto? ( Isoto? (
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http://slidepdf.com/reader/full/einfuehrung-atombau-pse 14/43Zach Christian 2007
Die #edeutung -on KernteilchenDie #edeutung -on Kernteilchen
Isoto?e unters!heiden si!h dur!h die "ahl ihrer
1eutronen)
Es gibt unters!hiedli!he "ahlen von nat4rli!henstabilen Isoto?en)
Viele Isoto?e sind instabil und zerfallen: indem sieradioaktive Strahlung abgeben)
7s?)0 #"erfall
*&D
,
+
1&D
<; e; e<<
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http://slidepdf.com/reader/full/einfuehrung-atombau-pse 15/43Zach Christian 2007
#ohr gliedert die 70lle in $chalen"""#ohr gliedert die 70lle in $chalen"""
1iels 7ohr .&22$#&6,'/: dänis!her=h>siker und 1obel?reisträger: lieferte -i!htige undgrundlegende 7eiträge zur Kern?h>sik so-ie zum
Verständnis des atomaren Aufbaus)
1a!h 7ohr umlaufen die Ele.tronen denKern in vers!hieden groen 7ahnen)
Diese nennt er Ele.tronenschalen und gibt ihnen den 1amen K<$chale: %<$chale,M<$chale: 2<$chale us-)
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http://slidepdf.com/reader/full/einfuehrung-atombau-pse 16/43Zach Christian 2007
7e
Die Atomh4lleDie Atomh4lle
3 3e
;i
7 * 1 9
Aufgabe0 zähle e-eils =rotonen und ElektronenH
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http://slidepdf.com/reader/full/einfuehrung-atombau-pse 17/43Zach Christian 2007
Das #ohrsche AtommodellDas #ohrsche Atommodell
Atomkern Atomkern
S!hale & .K/
Verbotene "oneVerbotene "one
S!hale ' .;/
S!hale ' .;/
ElektronElektron
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http://slidepdf.com/reader/full/einfuehrung-atombau-pse 18/43Zach Christian 2007
Au)bau der Ele.tronenh0lleAu)bau der Ele.tronenh0lle
&) Elektronen kommen in S!halen um den Kern vor)
') In die erste S!hale ?assen z-ei Elektronen: in diez-eite mehr)
() Die "ahl der ?assenden Elektronen erhält man0
'n': -obei n F S!halennummer
nF& ' Elektronen
nF' 2 Elektronen
nF( &2 Elektronen
) Die "ahl der =rotonen und Elektronen ist immerglei!h)
$) Deshalb sind Atome immer neutral)
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http://slidepdf.com/reader/full/einfuehrung-atombau-pse 19/43Zach Christian 2007
Die Elektronenh4lle ist inDie Elektronenh4lle ist in
Energiestufen aufgebautEnergiestufen aufgebaut Die Elektronen eines Atoms unters!heiden si!h in der
Entfernung zum Kern und ihrem Energiezustand) Die Elektronen befinden si!h na!h diesem Modell in
bestimmten Energiestufen .na!h 7ohr nennt mandiese au!h LS!halen/)
Die Elektronen der äuersten Energiestufe heien Auenelektronen: sie s?ielen f4r die *hemie die
ents!heidende 5olleH Die Elektronenanordnung lässt si!h aus dem
=eriodens>stem ablesen0 Die 3au?tgru??e ents?ri!htder "ahl der Auenelektronen: die =eriode ents?ri!htder "ahl der Energiestufen)
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http://slidepdf.com/reader/full/einfuehrung-atombau-pse 20/43Zach Christian 2007
Die Elemente unterscheiden sichDie Elemente unterscheiden sich
durch die Masse ihrer Atome""""durch die Masse ihrer Atome""""
Al2713
Chem. Symbol
für Aluminium
MZ Massenzahl
27 ( + )
13
-
1!
"Z "r#nun$szahl
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http://slidepdf.com/reader/full/einfuehrung-atombau-pse 21/43Zach Christian 2007
und edesund edes =roton))))=roton))))
... kann genau ein Elektron halten!
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http://slidepdf.com/reader/full/einfuehrung-atombau-pse 22/43Zach Christian 2007
Wir bauen das Modell f4r Aluminium0Wir bauen das Modell f4r Aluminium0
Al2713
..en%h&l% 27 'uleonen
..#aon sin# 13 *ro%onen #ie ,e 1 le%ron fes%hal%en1! 'uleonen sin# also 'eu%ronen
-
13
1!
-S/hale ma0. 2 e-
-S/hale ma0. e-
M-S/hale also no/h 3 e -
Diese Schale heisst auch
Valenzschale
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Zach Christian 2007
EdelgaskonfigurationN 1a a)))EdelgaskonfigurationN 1a a)))
Atome sind dannLzufrieden: -enn sieihre Valenzs!hale mit
2 Elektronen gef4llthaben)
Dies errei!hen sie:indem sie fehlendeElektronen stehlenoder 4berzähligeabgeben)
Die Valenzschale von
Argon ist mit 8 e voll!
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Zach Christian 2007
5egel0 2 -äre s!hn)))5egel0 2 -äre s!hn)))
Atome haben das7estreben: ihreäusserste S!hale voll
besetzt zu haben0K#S!hale0 ' e#
;#S!hale0 2 e#
M# S!hale0 2 e#
Dies errei!hen siedur!h 7indungenH
Sauers%offa%om
alenzs/hale4 5 e-
emeinsame"en#tzung
von $e 2 e
D W K l lk d ll
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Der Weg zum Kugel-olkenmodellDer Weg zum Kugel-olkenmodell
Atomkern
Atomrum?f
Kugel-olke: voll besetzt
1
S!hreib-eisen0
Elektronenformel
1LValenzstri!hformel
halb besetztKugel-olke:
7s?)0 ein Sti!kstoffatom 1
Kugel-olkenmodelle der Atome & O ' =eriodeKugel-olkenmodelle der Atome & O ' =eriode
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Kugel-olken einfa!h besetzt
Atomkerne
Kugel-olken do??elt besetzt
Kugel-olkenmodelle der Atome &) O ') =eriodeKugel-olkenmodelle der Atome &) O ') =eriode
K l l. d ll d At
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') =eriode
() =eriode
Kugel/ol.enmodelle der Atome&) =eriode
) =eriode
Atomkerne
äuere 7egrenzung der 34lle
einfa!h besetzt
do??elt besetzt
Kugel-olken
Verhältnisse der Atomradien ≈ korrekt
Kugel/ol.enmodelle der Atome
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') =eriode%i #e
# ! 2 O ' 2e
2a !l() =eriode
Ar
Kugel/ol.enmodelle der Atome&) =eriode
7e7
$
) =eriode
K Atomkerne
äuere 7egrenzung der 34lle
einfa!h besetzt
do??elt besetzt
Kugel-olken
Verhältnisse der Atomradien ≈ korrekt
Kugel/ol.enmodelle der Atome
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') =eriode%i #e
# ! 2 O ' 2e
2a !l() =eriode
Ar
Kugel/ol.enmodelle der Atome
und %e/is<'ormeln&) =eriode
7e7
$
) =eriode
K
Atomkerne
äuere 7egrenzung der 34lle
einfa!h besetzt
do??elt besetzt
;e-is#S!hreib-eise
einfa!h besetzter
Aufenthaltsraum
do??elt besetzte Aufenthaltsräume
Kugel-olken
Verhältnisse der Atomradien ≈ korrekt
#aulan der 7autgruenelemente
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') =eriode
() =eriode
#aulan der 7autgruenelemente
%e/is<'ormeln&) =eriode
) =eriode
Atomkerne
äuere 7egrenzung der 34lle
einfa!h besetzt
do??elt besetzt
;e-is#S!hreib-eise
einfa!h besetzter
Aufenthaltsraum
do??elt besetzte Aufenthaltsräume
Kugel-olken
Verhältnisse der Atomradien ≈ korrekt
#aulan der 7autgruenelemente
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#aulan der 7autgruenelemente
einfa!h besetzt do??elt besetzt
äuere 7egrenzung der 34lle
einfa!h besetzter
Aufenthaltsraumdo??elt besetzte Aufenthaltsräume
*erio#e
Gru??e Gru??e Gru??e Gru??e Gru??e Gru??e Gru??e Gru??e
*erio#e
*erio#e
*erio#e
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Vom Atom zum Molek4l)))Vom Atom zum Molek4l)))
"-ei Sauerstoffatomebinden si!h !hemis!hzu einem Mole.0l Sauerstoff)
7eide Atome knnenso zeit-eise 2Elektronen ben4tzen)
Das Mole.0l ist derkleinste @eil einer
VerbindungH
D W h i h 7i dD W h i h 7i d
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Der Weg zur !hemis!hen 7indungDer Weg zur !hemis!hen 7indung
Atom.ern
Atomrum)
Ele.tron
7s?)0 Methan *3
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Der Weg zur !hemis!hen 7indungDer Weg zur !hemis!hen 7indung
Atom.ern
Atomrum)
Kugel-olke: voll besetzt
halb besetztKugel-olke:
" S h ib i" S h ib i
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"ur S!hreib-eise"ur S!hreib-eise
1
3
33
Atom.ern
Atomrum)
Kugel-olke: voll besetzt
halb besetztKugel-olke:
Valenzstri!hformel
7s?)0 Ammoniak 13(
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Die Do??elbindungDie Do??elbindung
Atom.ern
Atomrum)
halb besetztKugel-olke:
Kugel-olke: voll besetzt
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Die Do??elbindungDie Do??elbindung
Atom.ern
Atomrum)
halb besetztKugel-olke:
* *
Kugel-olke: voll besetzt
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Die Dreifa!hbindungDie Dreifa!hbindung
Atom.ern
Atomrum)
halb besetztKugel-olke:
Kugel-olke: voll besetzt
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Die Dreifa!hbindungDie Dreifa!hbindung
Atom.ern
Atomrum)
halb besetztKugel-olke:
Kugel-olke: voll besetzt
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Zach Christian 2007
Die Dreifa!hbindungDie Dreifa!hbindung
Atom.ern
Atomrum)
halb besetztKugel-olke:
* *
Kugel-olke: voll besetzt
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Edelgaszustand .9ktettregel/Edelgaszustand .9ktettregel/
Die Edelgase sind reaktionsträge: also!hemis!h stabil: -eil sie keinen 7edarf anzusätzli!hen Elektronen haben) Sie haben
eine volle äuere Energiestufe)Dieser Edelgaszustand der Elektronenh4lle
.Edelgaskonfiguration/ -ird von allen Atomenangestrebt)
In der e-eils äuersten Energiestufe findenzunä!hst a!ht Elektronen =latz) .Ausnahme3elium0 z-ei/)
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Die E1 im =eriodens>stemDie E1 im =eriodens>stem
Pluor hat dieh!hste E1)
Es folgen
Sauerstoff:Sti!kstoff und*hlor)
Allgemein nimmt die E1 im =SE von links untenna!h re!htsoben zu .Ausnahme0Edelmetalle/
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IonisierungsenergienIonisierungsenergien
Die äueren Elektronen -erdenunters!hiedli!h stark festgehalten
Ionisierungsenergien der ersten 21 Elemente (in MeV)
hohe Ionisierungs#energien bei denEdelgasen
1iedriege IE bei den Alkalimetallen .I)
3au?tgru??e/ IE nimmt von links
na!h re!hts zu