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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
DEMOKRIT: „Atomos“, das Atom gedacht als unteilbares Teilchen
EPIKUR: „Chem. Bindung“
ARISTOTELES: „4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft“
0
500
2000 Jahre „Kirchenvakuum“:
322 v. Chr. – 1632 n. Chr.
Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch
übernommen, „Ketzer“ hingerichtet.
1000
GASSENDI, KEPLER, GALILEI
1500
DALTON: 1. und 2. Verbindungsgesetz
AVOGADRO: Gase, Moleküle
FARADAY: elektrische Natur der Atome
2000
RUTHERFORD: Treuversuche
BOHR; PLANCK, HEISENBERG: Orbitaltheorie
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
Radioaktive Strahlen
Radioaktives Präparat
Goldfolie
Leuchtschirm
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
Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt jedes
Element auch Neutronen im Kern.
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.: 238
92
U
238 Nu - 92 p = 146 n
 146 n : 92 p = 1,6

Zach Christian 2007
Der Atomkern
H
He
Li
Be
B
C
N
O
Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von
Kernen!
Legende:
Protonen
Neutronen
Zach Christian 2007
Isotope
Isotop 3
1
2
Isotop 1
2
H
Isotop 3
1
2
Li
Isotop 2
1
C
Isotop 3
1
2
O
N
Aufgabe: entdecke die Definition, was Isotope sind!
%
Nat.
Vorkom
men
6Li
7,5
1H
99,9
2H
0,015 7Li 92,5
3H
12C
98,9
14N
99,6
16O
99,7
13C
1,1
15N
0,4
17O
0,1
18O
0,2
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
14
6
C
14
7

N
+ 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
Die Atomhülle
H
He
Li
Be
B
C
N
O
Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen!
Zach Christian 2007
Das Bohrsche Atommodell
Elektron
Atomkern
Schale 1 (K)
Verbotene Zone
Schale 2 (L)
Schale 2 (L)
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....
MZ Massenzahl
27 (
+
13
=
)
27
Al
13
Chem. Symbol
für Aluminium
14
OZ Ordnungszahl
Zach Christian 2007
und jedes Proton....
... kann genau ein Elektron halten!
Zach Christian 2007
Wir bauen das Modell für Aluminium:
-
27
13 Al
..enthält 27 Nukleonen
..davon sind 13 Protonen, die je 1 Elektron festhalten
14 Nukleonen sind also Neutronen
K-Schale max. 2 e-
13
14
L-Schale max. 8 eM-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 eL-Schale: 8 eM- Schale: 8 e-
Sauerstoffatom
Valenzschale: 6 e-
Gemeinsame
Benützung
von je 2 e -
Dies erreichen sie
durch Bindungen!
Zach Christian 2007
Der Weg zum Kugelwolkenmodell
Bsp.: ein Stickstoffatom N
Schreibweisen:
N
N
Elektronenformel
„Valenzstrichformel“
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Kugelwolkenmodelle der Atome 1. & 2. Periode
Atomkerne
Kugelwolken einfach besetzt
Kugelwolken doppelt besetzt
Zach Christian 2007
1. Periode
Kugelwolkenmodelle der Atome
Verhältnisse der Atomradien  korrekt
2. Periode
3. Periode
4. Periode
Kugelwolken
einfach besetzt
Atomkerne
doppelt besetzt
äußere Begrenzung der Hülle
Zach Christian 2007
Kugelwolkenmodelle der Atome
1. Periode
H
2. Periode
3. Periode
4. Periode
Li
He
Be
B
C
N
Na
K
O
F
Ne
S
Cl
Ar
Kugelwolken
einfach besetzt
Atomkerne
doppelt besetzt
äußere Begrenzung der Hülle
Verhältnisse der Atomradien
 korrekt
Zach Christian
2007
1. Periode
H
2. Periode
3. Periode
Li
Kugelwolkenmodelle der Atome
und Lewis-Formeln
Be
B
C
N
Na
He
O
F
Ne
S
Cl
Ar
Atomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
4. Periode
K
Kugelwolken
Lewis-Schreibweise
einfach besetzt
einfach besetzter Aufenthaltsraum
doppelt besetzt
doppelt besetzte Aufenthaltsräume
Verhältnisse der Atomradien
 korrekt
Zach Christian
2007
1. Periode
Bauplan der Hauptgruppenelemente
Lewis-Formeln
2. Periode
3. Periode
Atomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
4. Periode
Kugelwolken
Lewis-Schreibweise
einfach besetzt
einfach besetzter Aufenthaltsraum
doppelt besetzt
doppelt besetzte Aufenthaltsräume
Verhältnisse der Atomradien
 korrekt
Zach Christian
2007
Bauplan der Hauptgruppenelemente
Gruppe
Gruppe
Gruppe
Gruppe
Gruppe
Gruppe
Gruppe
Gruppe
Periode
Periode
einfach besetzter Aufenthaltsraum
Periode
doppelt besetzte Aufenthaltsräume
äußere Begrenzung der Hülle
Periode
einfach besetzt
doppelt besetzt
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
Bsp.: Methan CH4
Atomkern
Atomrumpf
Elektron
Zach Christian 2007
Der Weg zur chemischen Bindung
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Zur Schreibweise
Bsp.: Ammoniak NH3
N
H
H
H
Atomkern
Atomrumpf
Valenzstrichformel
Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Die Doppelbindung
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Die Doppelbindung
C
C
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Die Dreifachbindung
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Die Dreifachbindung
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Die Dreifachbindung
C
C
Atomkern
Atomrumpf
Kugelwolke, halb besetzt
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



hohe Ionisierungsenergien bei den
Edelgasen
Niedriege IE bei den
Alkalimetallen (I.
Hauptgruppe)
IE nimmt von links
nach rechts zu
Ionisierungsenergien der ersten 21 Elemente (in MeV)
Zach Christian 2007
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