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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
