Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten 6 Periodensystem der Elemente – über 103 Atomsorten 6.1 Chemische Verwandtschaften in den Elementgruppen z.B. Alkali- und Erdalkalimetallsalze – Flammenfarben verraten Elemente Arbeitsauftrag: 1. Führen Sie den Versuch anhand der Arbeitsanweisung durch und notieren Sie Ihre Beobachtungen und das Analyseergebnis. Gasbrenner, ein Magnesiastäbchen, Streichhölzer, Schutzbrille Lithiumchlorid, Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Calciumchlorid, Strontiumchlorid, Bariumchlorid, Kuperchlorid 20 Minuten Arbeitsanweisung: 1. Der Gasbrenner wird so eingestellt, dass Sie eine nicht leuchtende Brennerflamme erhalten (mäßige Luftzufuhr, kein blauer Innenkegel). 2. Erhitzen Sie das Magnesia-Stäbchen so lange, bis die Gasbrennerflamme sich nicht mehr verfärbt. 3. Nehmen Sie mit dem Stäbchen einige Kristalle der Stoffprobe 1 auf und halten Sie sie in die Flamme. Beobachten Sie die Flamme. 4. Wiederholen Sie den Versuch mit allen anderen Stoffproben. Beobachtung/Deutung: Stoffprobe 1 Stoffprobe 2 Stoffprobe 3 Stoffprobe 4 Stoffprobe 5 Stoffprobe 6 Stoffprobe 7 Name Formel Flammenfarbe Prinzip der Flammenprobe: In der Gasbrennerflamme bilden sich aus den vorliegenden Alkalimetall- bzw. Erdalkalimetall-Ionen aufgrund der hohen Temperatur freie Atome. Bei weiterer Energiezufuhr senden diese Atome Lichtenergie aus. – Je nach Element hat das Licht einer bestimmten Farbe, was die charakteristische Flammenfärbung bewirkt. 1 AKSA 2012-2013 / Eva Schön PSE - über 103 Atomsorten Chemie Grundlagenfach 6.2 Periodensystem der Elemente (PSE) Das Periodensystem der Elemente ist das wichtigste Nachschlagewerk in der Chemie. Im Periodensystem sind die Elemente nach ansteigender Masse durch nummeriert. Das Element mit der kleinsten Masse Wasserstoff hat die Ordnungszahl 1. Nun werden die Elemente der Reihe nach der Atommasse von 1 bis 114 aufgelistet. Der deutsche Chemiker Lothar Meyer und der russische Chemiker Dimitri Mendelejeff erkannten 1869 unabhängig voneinander, dass sich dabei die chemischen Eigenschaften von Elementen in periodischen Abständen stark ähneln. Sie schlugen vor, dass Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften jeweils untereinander geschrieben werden. Diese senkrechten Spalten nennt man Elementgruppen (H-Li-Na-etc) Man kennt 8 Hauptgruppen. Im Periodensystem bezeichnet man die waagerechten Reihen als Perioden (LiBe-B-C-N-etc.). Einige wichtige Begriffe sollen hier eingeführt werden, um über ein gemeinsames Vokabular zu verfügen. -Gruppe, Periode, -Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Chalkogene, Halogene, Edelgase -Element, Ordnungszahl -Metalle, Nichtmetalle H He 1 2 Li Be B C N O F Ne 3 4 5 6 7 8 9 10 Na Mg Al Si P S Cl Ar 11 12 13 14 15 16 17 18 K Ca Ga As Se Br Kr 19 20 33 34 35 36 31 Ge 32 G R U P P E N PERIODEN Aufgaben: 1. Schreiben Sie zu jedem Symbol von 1-20 den Namen des entsprechenden Elementes. 2. a) Nummerieren Sie die Elementgruppen im oben stehenden PSE mit römischen Ziffern durch. b) Manche Elementgruppen haben wie eine Familie einen gemeinsamen Namen. Wie heisst die I., II., VI., VII., VIII. Elementgruppe? c) Wo befinden sich überwiegend die Metalle, wo die Nichtmetalle im PSE? 3. Wählen Sie 4 beliebige Elemente aus. Wo sind Ihnen diese Elemente oder Namen im Alltag schon begegnet? 2 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten 6.3Elektrische Ladung und elektrische Kraft1 6.4 Bausteine der Atome 3 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten Aufgaben 1. Buch Elemente S. 88 A 5: Der Abstand r zwischen einer positiv und negativ geladenen Kugel wird verdoppelt. Wie ändert sich die elektrische Anziehungskraft? 4 AKSA 2012-2013 / Eva Schön PSE - über 103 Atomsorten Chemie Grundlagenfach 2. Vervollständigen Sie die Tabelle mit Hilfe des PSE. Name Symbol Natrium Ordnungsz Massenzahl Anzahl der Anzahl der Anzahl der ahl Protonen Neutronen Elektronen 11 23 Kohlenstoff 12 Sauerstoff 16 Wasserstoff 1 6 8 1 3. Buch S. 94 A11 - A12 4. 5 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten 6.5_Wo sind die Elementarteilchen im Atom? - Das Kern-Hülle-Modell2 Rutherfords Streuversuch und das Kern-Hülle-Modell Aufgabe 1: Beantworten Sie folgende Fragen unten rechts neben Versuchs-Aufbau. 1. Studieren Sie den Versuchs-Aufbau und die Beobachtungen unten die beim Rutherford’schen Streuversuch gemacht werden (s. u) 2. Fragen zur Auswertungen der Streuversuchs a) Ist die Masse und Ladung im Atom tatsächlich wie laut Dalton-Modell homogen verteilt? b) Wie sind die Elementarteilchen nach dem Streuversuch im Atom angeordnet? Tipp: Strahlen sind positiv geladene He2+-Kerne mit einer Masse von 4 u. Gold (Au) hat dagegen eine Atommasse von ______ u. Versuchs-Durchführung: Eine 0,0004 mm dicke Goldfolie wird mit -Teilchen beschossen. Die Goldfolieschicht ist etwa 1.000 Atome dick. -Teilchen sind positiv geladene Massestrahlen die aus 2 Protonen und 2 Neutronen je bestehen. Jedes -Teilchen hat eine Masse von 4u und eine Ladung von 2+. Aufbau: 1. Beobachtung Rutherfords: Fast alle positiv -Teilchen durchdringen die Goldfolie geradlinig. Einige -Teilchen werden abgelenkt. Etwa jedes zehntausende Teilchen wird reflektiert 2. Auswertungen des Streuversuchs: a) b) aus: Chemie heute Aufgabe 3: Welche Kräfte halten das Atom zusammen? a) Skizzieren Sie das Lithiumatom mit dem Kern-Hülle-Modell mit Hilfe des PSE. b) Welche elektrische Kraft ist nach dem Coulomb-Gesetz stärker? Die elektrischen Anziehung zwischen den Protonen im Kern und den Elektronen in der Hülle oder die elektrische Abstossung zwischen den Protonen im Kern? 2 6 Siehe Elemente, S. 94 AKSA 2012-2013 / Eva Schön PSE - über 103 Atomsorten Chemie Grundlagenfach 6.6 Der Atomkern, Isotope, Isotopengemisch Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die je eine Masse von ca. 1u haben. In ihm steckt die Masse des Atoms, der Kern ist aber 100 000 mal kleiner als die äussere Atomhülle. Diese Atomhülle ist praktisch ohne Masse und besteht aus Elektronen. 1. a) Was versteht man unter Isotop. Lesen Sie Elemente S. 93. 2. b) aus welchen Kernbausteinen sind die Wasserstoff-Isotope aufgebaut? S. Elemente S. 93, Abb. 44. 3. Die meisten Elemente bestehen nicht nur aus einer Atomsorte sondern sind Mischelemente. 10.8 B 5 Die Massenzahl 10.8 u gibt die durchschnittliche Masse eines Boratoms an. Da es aber keine halbe Neutronen gibt, hat jedes einzelne Atom eine ganzzahlige Massenzahl. Natürliches Bor besteht aus 20% 10B-Atomen und aus 80% 11B-Atomen: 0.2x10 u + 0.8x11 u = 10.8 u oder 0.2x10B + 0.8x11B = 10.8B Bor-Atome haben also zu 20% 5 Neutronen und zu 80% 6 Neutronen, aber immer 5 Protonen. Lösen Sie A10, A13 7 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten 6.7 Exkurs Radioaktivität 6. August 1945, um 8:15 Uhr: Zum ersten Mal wurde eine Atombombe aus radioaktiven Uran abgeworfen. Die Bombe verursachte nie gekannte Zerstörungen. Insgesamt starben in Hiroshima bis heute 136.000 Menschen an den Folgen der ersten Atombombe. Warum entsteht beim Zerfall von Uran so viel (zerstörende) Energie und radioaktive Strahlen? 8 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach 9 PSE - über 103 Atomsorten AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten 1. Zum Mordfall vom russischen Ex-Agenten durch Polonium-2103 a) Welches Nuklid entsteht beim radioaktiven Zerfall von 210Po? Formulieren Sie die Zerfallsgleichung. b) Wahrscheinlich hat der ehemalige russischer Agent A. Litiwinenko das Polonium über vergiftetes Essen aufgenommen. Warum wirken nur winzige Mengen Polonium als tödliches Gift im menschlichen Körper? Polonium hat doch als -Strahler nur eine Reichweite von wenigen Zentimetern und kann schon von einem Blatt aufgehalten werden! (Umfang: 3-4 Sätze). (Siehe auch Elemente S. 95f ab -Strahlen). 2.Formulieren Sie jeweils die Zerfallsgleichung für den -Zerfall für 239Pu und -Zerfall für 3 239 U. Koch, C. Stern, 30/11/2006, 49, 34. 10 AKSA 2012-2013 / Eva Schön PSE - über 103 Atomsorten Chemie Grundlagenfach 6.8 Wo sind die Elektronen im Atom? – das „Schalenmodell“ Beim radioaktiven Zerfall, entstehen neue Atome durch Kernspaltung aus den radioaktiven AtomIsotopen. Solche radioaktiven Kernumwandlungen können gut mit dem Kern-Hülle-Modell von Rutherford erklärt werden, nach dem der winzige, aber massenreiche, positiv geladene Kern von einer nahezu massenlosen, 105 mal grösseren Elektronenhülle umgeben ist. Das Kern-Hülle-Modell gibt aber keine genauen Informationen über den Aufbau der Elektronenhülle Bei chemischen Reaktionen wird nicht der Kern, sondern nur die Elektronenhülle verändert. Daher müssen wir uns in diesem Kapitel mit der Verteilung und der Energie der Elektronen im Atom befassen, um chemische Eigenschaften erklären zu können. Vieles über die Elektronenstruktur in Atomen, weiss man aufgrund von Experimente mit elektromagnetischer Strahlung. Elektromagnetische Strahlung Zu den elektromagnetischen Strahlen gehören z.B. die radioaktiven ᵞ-Strahlen, aber auch die Radiowellen. Lernziele: Strahlen sind eine Form von Energie. Sie sollen die Energieabfolge der Strahlen und die Wellenlänge des sichtbaren Lichts kennen. . -34 h: Planksches Wirkungsquantum (Konstante) (6.63 10 Js) E = h ∙c/ 8 c: Lichtgeschw. (3*10 m/s) f: Frequenz in [1/s = Hz] : Wellenlänge des Lichtes E: Energie eines Lichquants -Strahlen Röntgenstrahlen Ultraviolette Infrarote Strahlung 10 -10 -8 10 10 -4 10-2 1 -Strahlen 100 (cm) Radiowellen Röntgenstrahlen Mikrowellen Ultraviolette Strahlung Infrarote Strahlung Sichtbares Licht violett hohe Energie kleine Wellenlänge grosse Frequenz 400 11 Radiowellen Strahlung -6 10 Mikrowellen blau grün 500 niedrige Energie grosse Wellenlänge kleine Frequenz gelb orange 600 rot 700 800 (nm) AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten Flammenfarbe und Schalenmodell - Wo ist das Elektron im Atom? - 12 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach 13 PSE - über 103 Atomsorten AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten Aufgaben "Schalenmodell und Aufbauprinzip der Elektronenhülle Aufgabe 1: a) Ergänzen Sie! Nach moderner Theorie, halten sich die Elektronen nicht auf bestimmten Kreisbahnen, sondern in bestimmten Räumen auf, Schalen oder Orbitale genannt, die den Atomkern kugelförmig umgeben: b) Untersucht man das Sonnenlicht mit einem Prisma sieht man Regenbogenfarben. Untersucht man die Flammenfarbe von Natrium sieht man dagegen nur gelb. Weshalb sieht man nur eine Farbe? Elektronen können nur bestimmte Energiestufen besetzen. Die Elektronen von Atomen werden durch Energiezufuhr z.B. Wärme angeregt. Sie fallen wieder in ihren Grundzustand zurück. Dabei strahlen die Elektronen Lichtenergie bestimmter Wellenlänge aus. Aufgabe 2: Zeichnen Sie wie Lithium auch Natrium und Kalium im Schalenmodell. Zeichnen Sie im Kern die Protonenzahl ein und die Elektronen als einzelne Punkte. a) Füllen Sie die Tabelle aus! Lithium Anzahl Elektronen Anzahl Aussenelektronen (auf äussersten Schale) Hauptgruppen-Nummer Anzahl besetzter Schalen Perioden-Nummer b) c) d) e) 14 Natrium Kalium 3 1 11 1 19 1 I 2 2 I 3 3 I 4 4 Merke: Die Perioden-Nummer eines Elements entspricht ______________________________ Die Hauptgruppen-Nummer entspricht ____________________________________ Können Sie die chemische Verwandtschaft von Lithium, Natrium, Kalium aus dem Schalenmodell ableiten?Ja. Li, Na, K hat jeweils 1 Aussenelektron. Elemente mit gleicher Anzahl Aussenelektronen stehen in einer Hauptgruppe und sind chemisch verwandt. Welche Atommasse hat Ar, K? Im Periodensystem der Elemente wurden die Elemente nach steigender Atommasse angeordnet. Warum steht das Element Argon vor Kalium? Begründen Sie mit dem Schalenmodell AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten Aufgabe 2: Die Grösse der Schalen nehmen von innen nach aussen zu. Es ist deshalb logisch, dass in den äusseren Schalen mengenmässig mehr Elektronen e- Platz haben, als in den inneren. Die maximale Anzahl an Elektronen, die in einer bestimmten Schale Platz haben, lässt sich mit der Formel Z = 2·n2 berechnen, wobei n der Schalennummer entspricht. Aufgabe 3: a) Wie sind die Elektronen in der Atomhülle von Magnesium (Mg), Calcium und Scandium verteilt? Zeichnen Sie jeweils das Schalenmodell wie in Aufgabe 2. b) Magnesium und Calcium stehen in der 2. Gruppe des PSE und sind chemisch verwandt. Daher müssen Sie gleich viele Aussenelektronen haben. Die Erdalkalimetalle haben immer genau 2 Aussenelektronen. Merke: Jedes Element hat im energetisch günstigsten Zustand maximal 8 Aussenelektronen. Erklärung: „Zwiebelschalenmodell" Gruppennummer, Periodennummer und PSE (s. Buchdeckel hinten) Die Gruppennummer im PSE entspricht der Anzahl Aussenelektronen (=. Valenzelektronen, VE). Beispiel: Alle Halogene (Gruppe 7) haben 7 VE, alle Elemente der Bor-Gruppe (Gruppe 3) haben 3 VE. VE = Valenzelektronen=Aussenelektronen. Die Periodennummer im PSE entspricht der Anzahl besetzter Elektronenschalen. Beispiel: Alle Elemente der Periode 3 haben Elektronen in den Schalen K =1, L =2 und M=3. Aufgabe: Elemente S. 100, A16. 6.9 Hauptgruppen, Nebengruppen und Periodensystem Frage: weshalb liegen die Nebengruppen zwischen den Hauptgruppen II und III? Im Konzert hängt der Genuss nicht nur von der Reihe ab. Neben den super+ prima Sitzen, gibt es ab der 3. Reihe auch doofe Sitze (z.B. hinter einer Säule) Vergleichen Sie die Farbe der vorliegenden Salze! Welche Salze sind farblos, welche Salze sind farbig? Können Sie einen Trend ableiten? Tipp Wo stehen diese Metalle im PSE? Versuch: Ein Reagenzglas mit konz. Schwefelsäure wird Ethanol überschichtet. Man fügt zu diesem zweiphasigem Gemisch einige Kristalle KMnO4 Beobachtung: grüne, lila und braune Schlieren, begleitet von kleinen Bläschen, an der Grenzfläche kommt es zu Blitzen mit Knallgeräuschen. Auswertung: Violettes KMnO4 reagiert zu braunen MnO2. Der entstehende Sauerstoff reagiert mit dem Ethanol exotherm. Elektronen in doofen Energiezuständen im Mn wechseln schnell die Plätze. Doof = energetisch ungünstige Zuständen (dOrbitale). 15 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten 2KMnO4 +H2SO4 →2MnO2 +3/2O2+K2SO4 +H2O. Füllen Sie den folgenden Text! Die Regel 2n2 mit n = 1, 2.. kann man die maximale Anzahl Elektronen pro Schale berechnen. Auf der 3. Schale haben daher maximal 18 Elektronen Platz. In der 3. Periode wurden jedoch nur 8 Elektronen (bis zum Argon) eingebaut. In der 4. Periode werden zunächst beim Kalium und Calcium 2 weitere Elektronen in die äußere 4. Schale eingebaut. Jetzt erst werden die noch fehlenden 10 Elektronen in die 3. Schale eingebaut. Vom Scandium bis zum Zink werden also die fehlenden Elektronen 9-18 der dritten, und jetzt zweitäussersten Schale aufgefüllt. Alle diese Nebenelemente haben also in der Regel 2 Valenzelektronen und müssen deshalb neben der II. Hauptgruppe in den Nebengruppen plaziert werden! Die Energiehauptniveaus oder Schalen gliedern sich nämlich in Unterschalen (=Orbitale) auf. Die Zahl der Unterschalen für die einzelnen Elektronenschalen ist verschieden. In der folgenden Abbildung ist diese Untergliederung in einem Energieniveauschema dargestellt. Abb.: Energieniveauschema für die Unterschalen der ersten vier Elektronenschalen. Die linke Hälfte der Abb. ist identisch mit den Energieniveaus der Hauptschalen. Die gestrichelten Linien zwischen den beiden Abbildungshälften sollen verdeutlichen, in wie viele Energiezustände sich jede Hauptschale gliedert. Die Hauptschalen bestehen aus Unterschalen Die erste Hauptschale besteht aus nur einer US, die zweite aus 2, die dritte aus 3 usw. Die US werden mit den kleinen Buchstaben s, p, d, und f gekennzeichnet. Die s-Schale kann max. 2, die pSchale max. 6, die d-Schale max. 10 und die fSchale max. 14 e- aufnehmen. Reihenfolge der Besetzung der Orbitale (=Unterschalen) ... 1. 2. 3. 16 ....erfolgt in der Reihenfolge steigender Energie (Energieprinzip) ...jedes Orbital kann maximal mit 2 Elektronen besetzt werden (Pauliprinzip) ...bei genügend Platz werden energiegleiche Unterschalen erst einzeln besetzt AKSA 2012-2013 / Eva Schön PSE - über 103 Atomsorten Chemie Grundlagenfach Elektronenkonfiguration Hinweis: 1 Strich = 1 Unterschale = 1 Orbital = 2 e- Mit steigender Ordnungszahl erhöht sich im PSE die Elektronenzahl in der Atomhülle um 1. Die Unterschalen werden nicht in chronologischer Reihenfolge von innen nach aussen (1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s usw.) besetzt, sondern nach der niedrigsten Energie. Daraus ergibt sich folgende Reihenfolge: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p7s Beispiel: Elektronenkonfiguration von Sr: 1s22s2p63s23p63d104s24p65s2 Hinweis: Obwohl es in der Hauptschale 4 (N-Schale) noch Platz hätte für 10 Elektronen (nämlich in der Unterschale d), wird zuerst die Unterschale 5s mit 2 Elektronen besetzt: Sr hat also in der äussersten Schale (Schale O) 2 Elektronen. 1. Geben Sie die Elektronenkonfiguration von Si, Sc, Zn, Br, Fe, und Xe an (fülle zuerst die Tabelle aus)! Wie viele Aussenelektronen besitzen diese Elemente? Welcher Gruppe gehören sie an? 2. Wieso braucht es am meisten Energie, um ein Elektron zu entfernen, das sich in der K-Schale befindet als in den höheren Schalen? Begründen Sie mit dem Coulomb-Gesetz! 1. Si Sc Zn Br Fe Xe 17 tot. 14 21 30 35 26 54 n n=2 =1 1s 2s 2p 2 2 6 2 2 6 2 2 6 2 2 6 2 2 6 2 2 6 Schale n=4 n=3 3s 2 2 2 2 2 2 3p 2 6 6 6 6 6 3d 1 10 10 6 10 4s 2 2 2 2 2 4p 4d n=5 4f 5s 10 2 Gruppe 4 2 2 7 2 8 IV III II VII 5p 5 6 VE 6 VIII AKSA 2012-2013 / Eva Schön PSE - über 103 Atomsorten Chemie Grundlagenfach s-, p-, d-, f-Elemente und PSE I II III IV V VI VII VIII Nebengruppen s-Elemente p-Elemente d-Elemente f-Elemente 4f Lanthanoide 5f Actinoide das letzte beim Aufbau hinzukommende Elektron befindet sich in der US s p d f Atomradien Die Atomradien der Hauptgruppenelemente nehmen ab von links nach rechts innerhalb einer Periode und zu von oben nach unten innerhalb einer Gruppe. Abbildung: Atomradien der Hauptgruppen-Elemente der 1-4. Periode in pm (10-12m) Wie verändern sich die Atomradien innerhalb einer Periode bzw. innerhalb einer Gruppe? Begründen Sie mit dem Schalenmodell und dem Coulomb-Gesetz! 18 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten 6.10 Kugelwolkenmodell nach Kimball Juhu! Ab sofort betrachten wir fast nur noch die Valenzelektronen. Die Energien zwischen s und pOrbitalen bei den VE der Hauptgruppen-Atome sind ähnlich günstig. Daher unterscheidet man bei diesem Atommodell auch gar nicht mehr zwischen s und p. Diese Vereinfachungen führen uns zumKugelwolkenmodell nach Kimball, mit dem wir nun die chemische Bindung erklären. Lernziele: 1. Atome im Kugelwolken-Modell zeichnen 2. Lewisformeln von Hauptgruppen-Atome zeichnen z.B. F H Lewis-Formel: In der Mitte steht das Atomsymbol des PSE. Nur die VE werden in der LewisFormel dargestellt. Punkt= 1 Elektron, einfach besetzt; Strich = 2 Elektronen. Wie viele Valenzelektronen haben die Hauptgruppen-Atome? Zwischen In welchen Orbitalen befinden sich bei den Hauptgruppen-Atome die VE? s, p, d oder f z.B. Elektronenkonfiguration: Kohlenstoff C: Stickstoff N: VE Bor B und VE s,p,d,f-Orbitalmodell Kugelwolkenmodell Lewis-Formel Sauerstoff O Argon Ar Hauptgruppen-Atome: Min. – Max. VE Beschreibung des Kugelwolkenmodells für Hauptgruppenatome: In der Mitte jedes Atoms ist der Atomrumpf: aus Atomkern und inneren Schalen Die äusserste Schale ist nicht als Schale dargestellt, sondern sie besteht aus 4 energiegleichen Elektronenwolken. Pauli-Prinzip: In jeder Wolke(= Orbital) haben maximal2 Elektronen Platz. Die 4 Kugelwolken werden jeweils zuerst mit 1 Elektron besetzt und erst später wird das 2. Elektron eingefügt: „Hund`sche Regel“ Da sich die Elektronenwolken abstossen, sind sie tetraedisch angeordnet! Dreidimensionales Kugelwolkenmodell für die Atome: 1. 2. 19 Zeichnen Sie: Atomrumpf rot, einfach besetzte Wolken hellblau, doppelt besetzte Wolken dunkelblau. Ergänzen Sie die Lewis-Formel. AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten Anhang: Folien zum Vortrag - Einführung in das Kugelwolkenmodell 20 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach 21 PSE - über 103 Atomsorten AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten Periode Mit zunehmender Ordnungszahl wird innerhalb einer Periode das neu hinzukommende Elektron in dieselbe äusserste Hauptschale eingebaut. Gleichzeitig kommt jeweils im Kern ein Proton hinzu. Coulomb-Gesetz: F = k • Q1•Q2/r2 : je grösser Q, desto grösser F! Atom ‘schrumpft‘. Gruppe Die grösseren Atome einer Gruppe besitzen mehr Elektronenschalen als die kleineren Atome. (Nach jeder Periode kommt wieder eine neue Elektronenschale hinzu). 22 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten 2.1 Kugelwolkenmodell nach Kimball Atome bestehen aus Kern und Hülle. Für chemische Reaktionen sind jedoch einzig die Valenzelektronen entscheidend. Deshalb unterscheidet der Chemiker zwischen Atomrumpf (=Atomkern + alle gefüllten Schalen, pos. geladen) und Valenzelektronenn. Unterdessen wissen wir, dass jedes Atom maximal 8 VE besitzt. Dies führt uns zum Atommodell, dem Kugelwolkenmodell nach Kimball, mit dem wir chemische Bindung erklären 1. Wie viele VE haben Si, P, He und Xe? 2. Wie viele e- und welche Ladung hat der Rumpf von Si, P, He und Xe? Beschreibung des Kugelwolkenmodells fürHauptgruppenatome: In der Mitte jedes Atoms ist der Atomrumpf. Die äusserste Schale ist nicht als Schale dargestellt, sondern sie besteht aus 4 energiegleichen Elektronenwolken. Pauli-Prinzip: In jeder Wolke haben nur je 2 Elektronen Platz. Die 4 Wolken werden jeweils zuerst mit 1 Elektron besetzt und erst später wird das 2. Elektron eingefügt. 1. Da sich die Elektronenwolken abstossen, sind sie tetraedisch angeordnet! Dreidimensionales Kugelwolkenmodell für die Atome der ersten drei Perioden: Zeichnen Sie die Atomrümpfe rot, die einfach besetzten Wolken hellblau und die doppelt besetzten Elektronenwolken dunkelblau. 2. Elektronenschreibweise (= Lewisschreibweise) einfach besetzte Wolke: 1 Punkt unktdoppelt besetze Wolke: 1 Strich Beispiele: Be O Ne Zeichnen Sie in Elektronenschreibweise N, S, Fe, Cl, Xe. 23 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten Anhang: Folien zum Vortrag - Einführung in das Kugelwolkenmodell 24 AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach 25 PSE - über 103 Atomsorten AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten Ionisierungsenergie 1. Entreisst man ein Elektron aus der Atomhülle, enthält diese ein Elektron weniger. Das ganze Atom ist nach aussen elektrisch nicht mehr neutral, sondern positiv geladen (=Ion, ionisieren!). Die verbleibenden Hüllenelektronen werden durch die "stärkere" positive Kernladung stärker angezogen um ein weiteres Elektron aus der Hülle zu entreissen braucht es mehr Energie. 2. Offensichtlich muss für die Abtrennung von bestimmten Elektronen viel mehr Energie aufgewendet werden (z.B. Ca: Energiesprünge zwischen 2&3, 10&11 und 18&19 Elektron). Dieser "Mehraufwand" an Energie lässt sich nur damit erklären, dass eine neue Schale aufgebrochen wird. Beispiel Ca Nr. 1 2 3 4 26 Schale Bezeichnung K L M N Anzahl e- Lokalisation Farbe auf Seite 6 2 8 8 2 (nicht voll) innen grün violett gelb blau aussen AKSA 2012-2013 / Eva Schön Chemie Grundlagenfach PSE - über 103 Atomsorten Stellung des Elementes im Periodensystem der Elemente Der Bau eines Atoms bestimmt die Stellung des Atoms im Periodensystem der Elemente. Deshalb kann man umgekehrt aus dem PSE viele Angaben über den Bau eines Atoms entnehmen. Ordnungszahl = Protonenzahl p = Elektronenzahl bei ungeladenen Atom. z.B. He: Protonenzahl p =2 entspricht der Elektronenzahl Hauptgruppen-Nummer = Anzahl Aussenelektronen = Anzahl Valenzelektronen z.B. C: IV Aussenelektronen Neutronenzahl n = Massenzahl minus Ordnungszahl. z.B. Al: Neutronenzahl n = 27-13 = 14 Atom Atomkern Zusammensetzung des Atomkerns Proton Merke: Atome sind aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut. Zeichen Neutron Wasserstoff 1 1 H Helium 4 2 He Lithium 7 3 Li Beryllium 9 4 Be Protonen und Neutronen wiegen je 1u und bilden den winzigen, schweren Atomkern. Bor Elektronen sind fast ohne Masse und umhüllen als Kohlenstoff Elektronenwolke den Kern. Ordnungszahl Z = der Protonenzahl = der Elektronenzahl. Nukleonenzahl = Atommasse = Protonenzahl + Neutronenzahl. 11 5 B 12 6 C Aus welchen Teilchen besteht der Atomkern? Geben Sie für die folgenden Teilchen die Anzahl von Neutronen, Protonen und Elektronen an. Hierzu kann das Periodensystem verwendet werden: Teilchen C N O Na Na+ Al Al3+ Ne Protonen Neutronen Elektronen Valenzelektronen Zeichnen Sie je ein Atommodell von dem Element Lithium und Natrium. Wo sind die Protonen, Neutronen, Elektronen? 27 AKSA 2012-2013 / Eva Schön