Chemie-Grundlagen

Chemie-Grundlagen
Sitzung 3
Wintersemester 2009/10
Dr. Alexander Kohly
Atombau und das Periodensystem der Elemente
Lernziele
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Den grundsätzlichen Aufbau von Atomen verinnerlichen.
Molekulare bzw. atomare Verbindungsarten kennen lernen.
Das Periodensystem der Elemente (PSE) im Aufbau begreifen.
Geschichtliches zu den Modellvorstellungen (Auswahl)
Demokrit 460 – 371 v. Chr.
Alle Stoffe bestehen aus kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen: den
Atomen (gr. “atomos“ unteilbar).
John Dalton 1766 – 1844:
genauere Beschreibung:
- Alle Stoffe sind aus Atomen aufgebaut.
- Atome haben Kugelform. Sie sind unteilbar und unzerstörbar.
- Jedes Element besteht aus einer Atomsorte.
- Alle Atome eines Elements sind gleich groß und gleich schwer.
Ernest Rutherford 1871 – 1937:
Er führte „Streuversuch“ durch.
Er fand heraus: Atome bestehen fast aus „Nichts“.
Er entwickelte das Kern-Hülle-Modell:
- Atome enthalten einen positiven Kern.
- Dieser beinhaltet (fast) die gesamte Masse eines Atoms.
- Die positiven Ladungsträger im Kern sind die Protonen.
- Um den Kern befindet sich eine „Hülle“, in der sich
negativ geladene Elektronen bewegen.
Niels Bohr 1885 – 1962:
(Schüler von Rutherford)
Er entwickelte das Atommodell weiter (Bohrsches Atommodell)
-Elektronen bewegen sich auf ganz bestimmten festen Bahnen
mit unterschiedlichem Energieniveau um den Kern.
Weitere Modelle
Aussagekräftiger ist allerdings das Kugelwolkenmodell.
Noch weiter entwickelt ist das quantenmechanische Modell.
Atome
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Atome sind die kleinsten Partikel der Materie,
die alle Eigenschaften des chemischen
Elements verkörpern
Ein Atom ist zusammen- gesetzt aus drei
kleineren Teilchen, den Elementarteilchen,
welche wiederum auch wieder aus noch
kleineren Teilchen bestehen (Quarks und
Leptonen). Diese haben auch wieder
unterschiedliche zustände usw.
Atome bestehen im Kern (Nukleus) aus
Protonen und Neutronen
Um den Kern herum, befinden sich die auf
den Elektronenschalen die Elektronen
Es gibt immer genau die Anzahl von
Elektronen (-) wie Protonen (+) in einem Atom
Elementarteilchen
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Elektronen
Zeichen: e- ,
sind negativ geladen, Aufenthaltsort: Atomhülle
besitzen kaum Masse (ca. 1/2000 eines Protons)
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Protonen
Zeichen: p+
sind positiv geladen, Aufenthaltsort: Atomkern
Sie besitzen Masse 1,67262158 · 10 hoch minus 24 g
Masse: ca. 1u
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Neutronen
Zeichen: n
besitzen keine Ladung (neutral) Aufenthaltsort: Atomkern
Sie besitzen Masse 1,67492716 · 10 hoch minus 24 g
Masse: ca. 1u
Atome
Die Atome werden nach der Anzahl ihrer Protonen in das Periodensystem
eingeordnet (Ordnungszahl).
Elemente können in verschiedenen Kristallverbänden erscheinen, sog.
Modifikationen.
Modifikationen des Kohlenstoffs sind z.B. Diamant (links) oder Graphit (Mitte) oder
Fullerene (rechts)
Elektronenkonfiguration
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Bei allen chemischen Reaktionen wird die äußerste Elektronenschale der
beteiligten Atome spezifisch verändert.
Da auf der Außenschale die Elektronen weit vom Kern entfernt sind, können
sie leichter abgegeben werden.
Die Atomkerne bleiben dabei immer unverändert.
Eine Außenschale enthält nie mehr als 8 Elektronen. Sie wird auch
Valenzschale und ihre Elektronen als Valenzelektronen bezeichnet.
Atome versuchen immer, ihre Valenzschalen auf 8 Elektronen aufzufüllen
(Oktettregel).
Valenzschalen mit vielen Elektronen ziehen weitere Elektronen an,
Valenzschalen mit wenigen Elektronen geben Elektronen ab.
Die Elektronegativität
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Einige Atome üben mehr Anziehungskräfte auf Elektronen aus als andere
Atome. Dieses wird als Elektronegativität (EN) bezeichnet.
Je mehr Protonen bei gleicher Schalenanzahl im Atom vorhanden sind, desto
stärker werden die Elektronen angezogen.
Das Periodensystem der Elemente (PSE)
Um alle vorhandenen Atome zu ordnen, musste ein Ordnungssystem gefunden
werden:
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Johann Wolfgang Döbereiner formulierte 1817 als erster ein Ordnungsprinzip,
nach dem er ähnliche Elemente in sog. Triaden sortierte.
dem russischen Chemiker Dimitri Mendelejew und dem deutschen Chemiker
Lothar Meyer gelang es 1868 bzw. 1869 unabhängig voneinander, die damals
bekannten Elemente in einem System zu ordnen.
Henry G.J. Mosley bestimmte 1913 mit Hilfe von Röntgenstrahlen erstmalig
die Anzahl an Protonen in Atomen. Er zeigte, dass die Kernladungszahl, also
die Anzahl der Protonen, das eigentlich entscheidende Kriterium ist.
Johann Wolfgang
Döbereiner
(1780-1849)
Lothar Meyer
(1830-1895)
Dimitri Mendelejew
(1834-1907)
Henry GJ Moseley
(1888-1915)
Das PSE
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Die waagerechte Anordnung wird Periode genannt.
Eine neue Periode beginnt, wenn Elektronen ein neues Energieniveau
einnehmen. (auf die nächst höhere Schale wechseln)
Die Nummer der Periode entspricht der Anzahl der besetzten
Elektronenschalen.
Elemente mit gleicher Elektronenschalenanzahl besetzen die selbe Periode.
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Die senkrechte Anordnung wird Gruppe genannt.
Es gibt Hauptgruppen und Nebengruppen
Die Nummer der Hauptgruppe entspricht der Anzahl der Außenelektronen.
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Die Namen der Hauptgruppen sind:
I = Alkalimetalle
II = Erdalkalimetalle
III = Erdmetalle
VI = Kohlenstoffgruppe
V = Stickstoffgruppe
VI = Sauerstoffgruppe
VII= Halogene (Salzbildner)
VIII= Edelgase
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Die Ordnungszahl bestimmt die Reihenfolge der Elemente.
Die Ordnungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern eines
Elements.
Die Ordnungszahl gibt folglich auch die Anzahl der Elektronen vor.
Die Anzahl der Neutronen kann schwanken
Mit einem Merksatz fällt es leichter sich die Elemente der ersten drei Perioden
und ihre Reihenfolge zu merken:
Hallo Helmut,
liebe Berta, bitte commt nicht ohne Fritz Neumann.
Nach Mittag, Albert Simon paukt seine Classen Arbeit.
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Atome mit gleicher Anzahl an Elektronen auf der Außenschale zeigen bei
chemischen Reaktionen ähnliches Verhalten (Gruppen).
Die Reaktionsfähigkeit der Elemente nimmt von der Mitte des PSE aus nach
beiden Seiten zu (Ausnahme: Edelgase mit „voller“ Außenschale)
Je weiter Elemente im PSE voneinander entfernt sind, desto größer ist ihr
Bestreben eine Verbindung miteinander einzugehen.
Im PSE stehen links die Metalle und rechts die Nichtmetalle.