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Allgemeine Chemie
im Überblick
Atombau
Atomkern
Bausteine der Atome
Atome sind Teilchen, die sich durch chemische Reaktionen nicht
weiter zerlegen lassen. Sie bestehen aus Atomkern (∆ 10–15 m) und
Atomhülle (∆ 10–10 m). Durch Anlegen starker elektrischer Spannung lassen sich Atome in positiv und negativ geladene Teilchen
spalten. Der Atomkern (Nukleus) enthält die gesamte positive
Ladung und über 99,9 % der Atommasse in Form positiv geladener
Protonen und ungeladener Neutronen (atomare Masseneinheit: 1 u
entspricht genau 1/12 der Masse eines Atoms des Kohlenstoff-Isotops 126C; 1 u = 1,660519 ∙ 10–24 g). Die negativ geladenen Elektronen
bilden eine Hülle um den Atomkern, die fast das ganze Atomvolumen einnimmt. Die Zahl der Elektronen muss mit der Zahl der Protonen im Atomkern übereinstimmen (Elektroneutralität). Thomson
entdeckte eine Leuchterscheinung durch Elektronen, die von der
Kathode zur Anode hin beschleunigt wurden (Kathodenstrahlung,
1897). Kanalstrahlen weisen einen Strom positiver Teilchen von
der Anode zur Kathode nach. Die kleinste Einheit der elektrischen
Ladung ist die Elementarladung e (1 e = 1,6022 ∙ 10–19 C).
Ladung (e)
Masse (u)
Masse (kg)
Elektron e–
–1
1/1823
~0,91 ∙ 10–30
Proton p+
+1
1
~1,67 ∙ 10–27
Neutron n
0
1
~1,67 ∙ 10–27
Kernbindungsenergie je Nukleon (MeV)
Elementarteilchen
Der Atomkern setzt sich zusammen aus Nukleonen, d. h. Protonen und Neutronen. Die Summe der Nukleonen heißt
Massenzahl. Die Anzahl der Protonen heißt Kernladungs- oder Ordnungszahl. Jedes Element hat seine charakteristische
Ordnungs- oder Protonenzahl, die Zahl der Neutronen kann variieren. Atome mit gleicher Protonen- aber unterschiedlicher
Neutronenzahl heißen Isotope. Das chemische Verhalten der Isotope eines Elements ist gleich. Isotope können sich im
physikalischen Verhalten aufgrund der unterschiedlichen Masse unterscheiden.
Durch Massenspektrometrie werden Massen von Isotopen und ihre relativen Häufigkeiten experimentell bestimmt. Die
Proben werden dazu unter Hochvakuum ionisiert, durch ein elektrisches Feld beschleunigt und anhand ihres Masse-zuLadung-Verhältnisses getrennt. Im Mas9
senspektrum wird der Ionenstrom als
8
84
Maß für die Zahl gebildeter Ionen gegen
36 Kr
4
He
deren Massenzahl aufgetragen.
2
7
235
Die Summe der Einzelmassen aller
92 U
6
Nukleonen eines bestimmten AtomDer Absolutwert der Kernbindungsenergie
6
kerns ist größer als die betreffende
5
3L i
nimmt mit steigender Ordnungszahl zu. Um
Kernmasse. Dieser Massendefekt
vergleichen zu können, wird die Kernbindungs4
entspricht nach der Einsteinschen Masenergie je Nukleon betrachtet. Die Kurve hat
ein Maximum (größte Stabilität des Atomkerns)
se-Energie-Äquivalentbeziehung der
3
bei Eisen.
Kernbindungsenergie, die beim Auf2
bau des Atomkerns aus seinen Nukle2
onen freigesetzt wird:
1H
1
2
E = m ∙ c
0
Die Umwandlung von 1 g Materie in
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200 220 240
10
Atommasse (u)
Ener­gie entspricht 931 MeV (9 ∙ 10 kJ).
Radioaktivität
Zerfallsreihen sind Abfolgen von radioaktiven Isotopen, die durch
Atomkern-Umwandlungen auseinander hervorgehen. Beim Zerfall der
natürlich vorkommenden radioaktiven Isotope der Actinoide entsteht am
Ende jeweils ein Blei-Isotop.
Durch Bestrahlung stabiler Isotope mit a-Teilchen, Protonen oder auch
Neutronen lassen sich Kernumwandlungen erreichen. Einfangreaktionen führen zum Einbau von Protonen oder Neutronen, häufig resultiert eine spontan ablaufende Zerfallsreihe. So lassen sich Transurane,
Elemente mit Ordnungszahl > 92, künstlich herstellen. Kernspaltung
bedeutet die Spaltung eins schweren Atomkerns in zwei oder mehrere
69
144
mittelschwere Kerne (z. B. der Zerfall von 235
92U in 36Kr und 56Ba) unter
Freisetzung großer Mengen Energie aufgrund des Massendefekts. Bei
der Spaltung freigesetzte Neutronen können bei vorhandener kritischer
Masse zur Kernkettenreaktion führen.
Die Umwandlungsgeschwindigkeit radioaktiver Isotope folgt dem Zerfallsgesetz:
N(t) = N0 e–k t
N1
•
•
Pro Zeiteinheit zerfällt stets der gleiche
Anteil der jeweils vorhandenen
radioaktiven Kerne.
t½ Halbwertszeit; k Zerfallskonstante
Anzahl
Nicht stabile Atomkerne (radioaktive Isotope) wandeln sich
unter Aussendung charakteristischer Strahlung in stabile, energieärmere Atomkerne um. Strahlungsarten sind:
• a-Strahlen: Helium-Atomkerne (42He2+), positiv geladene
Korpuskularstrahlung, wenige Zentimeter Reichweite in Luft,
diskrete Energie.
• b-Strahlen: Elektronen, negativ geladene Korpuskularstrahlung, aus spontaner Umwandlung von Neutronen im Atomkern zu Protonen, Reichweite größer als a-Strahlen, durchdringen aber nicht Aluminium-Blech von 1 cm, kontinuierliches Energiespektrum bis zu Maximalenergie.
• g-Strahlen: energiereiche elektromagnetische Strahlung, wird
bei Atomkern-Zerfall freigesetzt, diskretes Energiespektrum.
1
2
N1
1
4
N1
1
8
N1
t½
t½
t½
Zeit
langsames Neutron
Das Bohrsche Atommodell
1
0
Neutronengeneration
Rutherford beschrieb die Bewegung von Elektronen um den Atomkern unter Anwendung der Gesetze
der klassischen Mechanik als „Planetenmodell“. Dabei sind beliebige Bahnabstände und Energiezustände möglich. Nach Bohr haben Elektronen nur ganz bestimmte Energien, die Kreisbahnen um den
Atomkern entsprechen und durch Quantenzahlen 1, 2, 3... n gekennzeichnet sind. Energieaufnahme
durch Wärme oder elektrische Entladung bewirkt Anhebung von Elektronen vom Grundzustand in den
angeregten Zustand eines höheren Niveaus. Bei der Rückkehr in den Grundzustand werden definierte Energiemengen in Form von elektromagnetischer Strahlung (z. B. sichtbares Licht) emittiert.
89
36
3.
Kr
1.
2.
n
235
92
U
144
56
Ba
Kernkettenreaktion.
Allg_Chem_S1.indd 1
200
100 Wellenlänge (nm)
PFUND-Serie
a0
500
Die Spektralserien des
Wasserstoff-Atoms sind
nach ihren Entdeckern
benannt.
BRACKETT-Serie
4a0
2000 1000
UV-Bereich
Emissionsspektrum des Wasserstoff-Atoms.
PASCHEN-Serie
LYMAN-Serie
9a0
IR-Bereich
sichtbares Licht
BALMER-Serie
Bohrsches Modell des
Wasserstoff-Atoms.
16a0
Die Wellenlängen der Strahlung geben Auskunft über die innere Struktur des jeweiligen Atoms. Die
Linienmuster sind systematisch aufgebaut und lassen sich in sog. Serien zusammenfassen. Ihre Berechnung erfolgt nach der Gleichung:
n = RH (1/n2 – 1/m2)
n bezeichnet die Frequenz, RH ist die Rydberg-Konstante (RH = 3,29 ∙ 1015 Hz), n und m sind ganze
Zahlen mit n > m. n ist die Hauptquantenzahl, n = 1 entspricht dem Grundzustand. Der zugehörige
Radius, auf dem sich das Elektron bewegt, wird als Bohrscher Radius a0 bezeichnet.
25a0
Die Lichtemission von Flammen und Gasen kann
durch ein Prisma in Serien farbiger Linien (Spektren)
zerlegt werden, die für jedes Element spezifisch sind.
Brenner
36a0
Prisma
49a0
Probe
Linienspektrum
Blende
mit Spalt
n=1
2
3
4
5
6
7
22.07.2010 17:07:16 Uhr