aufbau und atome

9
Aufbau und Atome
AUFBAU UND
ATOME
In diesem Kapitel geht es um:
■ Elementarteilchen
■ die Masse von Atomen
■ die Elektronenhülle
123
9
9.1Elementarteilchen
Sind Atome unteilbar?
Atome sind keine starren Kugeln. Sie besitzen einen winzigen
■ Atomkern und eine
■ Atomhülle.
Abb. 124.1
Ernest Rutherford
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die Atomhülle aus
Elektronen. Man nennt sie daher auch Elektronenhülle.
In neutralen, d.h. nicht geladenen Atomen ist die Anzahl der Protonen und
Elektronen gleich groß.
Protonen, Neutronen und Elektronen nennt man auch Elementarteilchen.
Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen.
Abb. 124.2
Helium-Atom
Die Masse der Elementarteilchen
Die tatsächliche Masse der Elementarteilchen (ausgedrückt in Gramm)
ist außerordentlich gering. Man verwendet daher eine eigene Einheit, die
Atommasseneinheit u. Die Masse der Elementarteilchen wird dann relative
Masse bezeichnet.
Elementarteilchen
Proton
p+
Neutronn
Elektrone
Relative Masse
Ladung
1u
1u
0,001 u
+1
0
–1
Tab. 124.1
Protonen und Neutronen haben die relative Masse von etwa
1u. Elektronen haben praktisch keine Masse.
Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über den Aufbau der Atome.
Ü 9.1 Ergänze folgenden Text: Der Atomkern besteht aus ____________ und ____________. Er ist
____________ geladen. Die Atomhülle besteht aus ____________. Sie ist ____________ geladen.
Ü 9.2 Was versteht man unter Elementarteilchen? Welche kennst du?
Ü 9.3 Ein Atom des Elementes Gold besteht aus 79 Protonen, 118 Neutronen und 79 Elektronen. Berechne seine
ungefähre relative Masse.
Ü 9.4 Ein neutrales Natrium-Atom besitzt 11 Protonen. Wie groß ist die Anzahl der Elektronen?
1 R utherford, Ernest (1871-1937). Atomphysiker und Nobelpreisträger für Chemie entdeckte, dass
ein Atom aus Atomkern und Elektronenhülle besteht.
124
Aufbau und Atome
9.2 Die Masse von Atomen
Atome bestehen fast nur aus leerem Raum
Wie wir heute wissen, ist der Durchmesser des Atomkerns ungefähr 1000bis 10 000-mal kleiner als das ganzen Atoms. Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen. Elektronen besitzen praktisch keine Masse. Das heißt,
dass die gesamte Masse eines Atoms im Kern konzentriert ist.
Beinahe unglaublich ist, was daraus folgt: Ein Eisenwürfel von 10 m Kantenlänge hat eine Masse von etwa 8 000 t. Könnte man alle Atom-kerne
der in diesem Block enthaltenen Eisenatome zusammenfassen, würden sie
nur das Volumen eines Stecknadelkopfes besitzen, der allerdings fast die
Gesamtmasse des Eisenblocks, also rund 8 000 t, hätte. Mit Ausnahme des
Volumens eines Stecknadelkopfes besteht der Eisenblock somit nur aus
leerem Raum! Ein Airbus A380 besitzt im Vergleich dazu beim Start (also
einschließlich Treibstoff) eine Masse von rund 400 t.
Ordnungszahl, Massenzahl
Protonen sind positiv geladene Teilchen im Kern. Ihre Anzahl nennt man
daher auch Kernladungszahl oder Ordnungszahl (OZ). Alle Atome eines
Elementes haben dieselbe Protonenzahl und damit die-selbe Ordnungszahl.
Protonen und Neutronen haben jeweils eine Masse von ungefähr 1 u,
während Elektronen praktisch keine Masse haben (siehe Tabelle 118.1). Die
Masse eines Atomkerns und damit des ganzen Atoms ist daher die Summe
aus der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen. Sie wird als
Massenzahl (MZ) bezeichnet. Das Element Natrium enthält z.B. 11 Protonen
und 12 Neutronen. Seine Massenzahl ist daher 11 + 12 = 23.
Zur näheren Bezeichnung einzelner Atome wird die Massenzahl links oberhalb, die Ordnungszahl links unterhalb vor das betreffenden Elementsymbol geschrieben, z.B.:
1
235
1H
92U
Da mit der Angabe des Elementsymbols auch die Protonenzahl gegeben ist,
wird häufig nur die Massenzahl angeschrieben, z.B. U-235 bzw. U-238.
Abb. 125.1
Alle Atomkerne von 20 Flugzeugen des Typs
Airbus A380 hätten ungefähr ein Volumen
von einem Stecknadelkopf und eine Masse
von etwa 8 000
Abb. 125.2
Kern eines Natrium-Atoms mit 11 Protonen
und 12 Neutronen
Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen, die Massenzahl die Summe von Protonen
und Neutronen.
Schreibweise: MZ
OZ Symbol
Beispiel 9.1
Wie viele Protonen und Neutronen besitzt das Element
F (F-19)?
19
9
Die Ordnungszahl ist 9. Das Element besitzt daher 9 Protonen. Die
Massenzahl ist 19, daher sind im Kern
19 – 9 = 10 Neutronen vorhanden.
Mit den folgenden Übungen kannst du grundlegende Begriffe des Atombaus wiedergeben.
Ü 9.5 Was versteht man unter Ordnungszahl eines Atoms?
Ü 9.6 Was versteht man unter Massenzahl eines Atoms?
Ü 9.7Bestimme bei folgenden Atomen jeweils Ordnungszahl, Massenzahl, Anzahl der Protonen und Neutronen (verwende dazu auch das Periodensystem auf Seite xxx):
2
238
18
34
131
C-12
N-14
1H
92U
8O
16S
53I
125
9
Isotope sind Elemente mit
derselben Protonenzahl und
verschiedener Neutronenzahl.
Sie besitzen daher auch eine
unterschiedliche Masse.
Isotope
Viele Elemente besitzen verschiedene Arten von Atomen, die dieselbe
Anzahl von Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen
besitzen. Solche Atome eines Elementes nennt man Isotope.
Vom Element Chlor kennt man z.B. die beiden Isotope:
CI 3717CI
35 – 17 = 18 Neutronen
37 – 17 = 20 Neutronen
Das in der Natur vorkommende Chlor setzt sich zu ungefähr 75 % aus
Chlor-35 und zu 25 % aus Chlor-37 zusammen. Die durchschnittliche Masse
eines Chlor-Atoms beträgt also 35,5 u. Diese durchschnittlichen Massen
sind im Periodensystem bei den einzelnen Elementen angeführt.
35
17
35 · 75 + 37 · 25
= 35,5
100
Abb. 126.1
Henry Becquerel
Abb. 126.2
Marie Curie
Radioaktivität ist die Eigenschaft von Atomkernen, ohne
äußere Einwirkung zu zerfallen.
Sie geben dabei Energie in Form
von Strah-lung ab (α-, β- und
γ-Strahlung).
Halbwertszeit ist die Zeit, in
der die Hälfte der Atomkerne
der An-fangsmenge zerfallen
ist.
Abb. 126.3
126
Die Isotope eines Elements besitzen gleiche chemische Eigenschaften. Sie
können aber durchaus unterschiedliche physikalische Eigenschaften wie
etwa verschieden lange Halbwertszeiten aufweisen.
Radioaktivität
Für jede Protonenzahl gibt es eine optimale Neutronenzahl, sodass ein
stabiler Kern entsteht. Bei einem ungünstigen Verhältnis von Protonen und
Neutronen wird der Kern instabil und zerfällt von selber, er ist radioaktiv.
Die Radioaktivität wurde von Henri Becquerel1 im Jahr 1896 entdeckt: Während seiner Arbeit mit Uranverbindungen stellte er zufällig fest, dass diese
unsichtbare Strahlen aussandten, die in der Lage waren, Papier zu durchdringen und Fotoplatten zu schwärzen.
Aufbauend auf dieser Entdeckung gelang es Marie Curie2 und ihrem Mann
Pierre Curie aus dem Mineral Pechblende zwei besonders stark strahlende
Elemente zu isolieren. Zu Ehren von Marie Curies Heimatland Polen nannten sie das eine Element „Polonium“, das andere „Radium“ (das „Strahlende“), weil es mehr als hunderttausendfach stärker strahlte als das Uran.
Blei mit der Ordnungszahl 82 ist das letzte Element mit stabilen Isoto-pen.
Ab der Ordnungszahl 83 sind alle Elemente radioaktiv: die Anhäufung von
positiven Ladungen macht den Kern instabil. Elemente mit einer Ordnungszahl unter 83 besitzen radioaktive Isotope („Radioisotope“).
Bei den ausgesandten Strahlen unterscheidet man α-Strahlung,
β-Strahlung und die γ-Strahlung3.
Die γ-Strahlung ist ähnlich der Röntgenstrahlung, aber wesentlich energiereicher und daher gefährlicher. γ-Strahlung kann Materie durchdringen
und in lebendem Gewebe großen Schaden anrichten.
Unterschiedlich sind auch die Möglichkeiten zur Abschirmung der radioaktiven Strahlung. α-Teilchen werden bereits durch Papier, β-Teilchen durch
Aluminiumblech abgehalten. Für die Abschirmung von γ-Strahlung ist eine
mindestens 5 cm dicke Bleiplatte erforderlich.
Ein Maß für die Abnahme der radioaktiven Strahlung ist die Halbwertszeit. Man versteht darunter jene Zeit, nach der nur mehr die Hälfte eines
radioaktiven Stoffes vorhanden ist. Sie kann von Bruchteilen von Sekunden
bis zu Milliarden von Jahren betragen. Durch die Reaktorkatastrophe in
Fukushima im März 2011 ist u.a. das radioaktive Isotop Cs-137 in die Umwelt
gelangt. Seine Halbwertszeit beträgt ungefähr 30 Jahre. Das heißt, im Jahr
2041 wird noch ca. die Hälfte, im Jahr 2071 ca. ¼ usw. des ausgetretenen
Cäsiums in der Umwelt vorhanden sein.
1 Becquerel, Henri (1852–1908). Professor für Physik in Paris. 1903 Nobelpreis für Physik
2 Curie, Marie (1867–1934). Physikerin und Chemikerin. 1903 Nobelpreis für Physik, 1911 für Chemie
3 α (alpha), β (beta) und γ (gamma) sind die ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets
Aufbau und Atome
Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über Isotope.
Ü 9.8 Was sind Isotope?
Ü 9.9Es gibt drei verschiedene Silicium-Atome: 2814Si, 2914Si und 3014Si Wie viele Protonen und Neutronen besitzt jedes dieser Isotope?
Ü 9.10Die wichtigsten Kupfer-Isotope sind Cu-63 und Cu-65. Ungefähr 70 % aller Kupfer-Atome sind Cu-63,
30 % Cu-65. Was ist die durchschnittliche Masse von Kupfer-Atomen?
Ü 9.11In einem Labor hat man am heutigen Tag genau 80 mg vom Isotop Iod-131. Wann sind nur mehr 10 mg
des Isotops vorhanden? (Die Halbwertszeit von Iod-131 beträgt 8 Tage.)
9.3Elektronenhülle
Die negativen Ladungen der Elektronen in der Atomhülle gleichen die positiven Ladungen der Protonen im Kern aus.
Bei ungeladenen (neutralen) Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich groß. In einem Fluor-Atom sind z.B. 9 Protonen und 9 Elektronen, in einem Natrium-Atom 11 Protonen und 11 Elektronen enthalten.
Fluor-Atom (9 p+/9 e–): F
Abb. 127.1
Natrium-Atom (11 p+/11 e–): Na
Neutrale Atome enthalten
gleich viele Protonen und Elektronen.
Kationen (positiv geladen)
enthalten mehr Protonen als
Elektronen.
Anionen (negativ geladen)
enthalten mehr Elektronen als
Protonen.
Abb. 127.2
In Ionen überwiegen entweder die Protonen oder die Elektronen. In Anionen (negativ geladen) sind mehr Elektronen als Protonen enthalten (z.B.
Fluor-Anion F–). In Kationen (positiv geladen) sind mehr Protonen als Elektronen vorhanden (z.B. Natrium-Kation Na+).
Fluorid-Anion (9 p+/10 e–): F–
Natrium-Kation (11 p+/10 e–): Na+
Abb. 127.3
Abb. 127.4
Bohr’sches Atommodell (Schalenmodell)
Die Atomhülle besteht aus Elektronen. Doch wie kann man sich die Verteilung der Elektronen in der Hülle vorstellen? Diese Frage beantwortet ein
sehr einfaches Atommodell des dänischen Physikers Niels Bohr1.
In diesem Bohr’schen Atommodell2 (Schalenmodell) besteht die Elektronenhülle aus sieben Schalen. Sie werden von innen nach außen mit den
Buchstaben K bis Q bezeichnet. Die Elektronen bewegen sich auf diesen
Schalen um den Atomkern, vergleichbar den Bewegungen der Planeten um
die Sonne.
Je weiter die Schale vom Kern entfernt ist, umso mehr Elektronen kann sie
aufnehmen.
Abb. 127.4
Niels Bohr
1 B ohr, Niels (1885–1962). Bohr war Schüler Rutherfords. Er erhielt 1922 den Nobelpreis für Physik
für seine Verdienste um die Erforschung der Struktur der Atome und der von ihnen ausgehenden Strahlung
2 Dieses Modell erklärt einige Eigenschaften der Elemente sehr gut, manche Eigenschaften aber
gar nicht. Andere – kompliziertere – Modelle können mehr erklären.
127
9
Schale
K
L
M
N
Abb. 128.1
Elektronenanordnung von Natrium 2, 8, 1
Maximale Anzahl der
Elektronen pro Schale
2
8
18
32
Tab. 128.1
Die einzelnen Schalen werden von innen nach außen mit Elektronen aufgefüllt. Das Element Fluor besitzt z.B. 9 Elektronen. Davon befinden sich 2 in
der K-Schale und 7 in der L-Schale. Die Elektronenanordnung von Fluor ist
daher 2, 7.
Natrium besitzt 11 Elektronen. Von diesen sind 2 in der K-Schale, 8 in der LSchale und 1 in der M-Schale. Die Elektronenanordnung ist also 2, 8, 1.
Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über Ionen und Atombau.
Ü 9.12 Was sind „Ionen“? Welche Arten gibt es?
Ü 9.13Gib von folgenden Atomen bzw. Ionen die Anzahl der Elektronen an (in der Klammer stehen die Ordnungszahlen):
a) Si (14)
b) Mg2+ (12) c) O2– (8) d) Li+ (3) e) Al (13)
f) Sr (38)
g) Sr2+
–
+
–
–
h) Hg (80) i) Cl (17)
j) Al3 (13) k) Ag (47) l) Br (35) m) S2 (16)
Ü 9.14 Was ist die Elektronenanordnung folgender Elemente (in der Klammer stehen die Ordnungszahlen)?
a) Si (14)
b) O (8)
c) Al (13)
d) Mg (12) e) S (16)
f) He (2)
g) H (1)
Ü 9.15Es sind die Elektronenanordnungen einiger Elemente gegeben. Um welche Elemente handelt es sich
(verwende dazu auch das Periodensystem): a) 2, 2 b) 2, 8, 5 c) 2, 8, 8
128
Periodensystem der Elemente
PERIODENSYSTEM
DER ELEMENTE
In diesem Kapitel geht es um:
■ den Aufbau des Periodensystems
■ einige Elementfamilien
■ die Elektronenanordnung der Edelgase
10
129
10
10.1 Aufbau des Periodensystems
Abb. 130.1
Bücher werden in einer Bibliothek nach
Gruppen geordnet (z.B. Reisen, Abenteuer,
Krimis, Sachbücher usw.)
Alkalimetalle:
Lithium (Li – OZ 3):
Natrium (Na – OZ 11)
Einteilung in Gruppen
Die gesamte Materie ist nur aus etwa 100 verschiedenen Elementen aufgebaut. Um eine Übersicht über alle Elemente zu bekommen, ist es notwendig, sie zu ordnen. Man verwendet dazu ihre chemischen Eigenschaften.
Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften werden wie Bücher in
einer Bibliothek (Abb. 124.1) zu Gruppen („Elementfamilien“) zusammengefasst. So gibt es z.B. die Gruppen der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle,
der Halogene, der Edelgase usw.
Worauf beruht die Ähnlichkeit der Eigenschaften unter den Elementen einer Gruppe? Betrachten wir die Elektronenanordnung der Elemente Lithium
und Natrium: es zeigt sich, dass beide Elemente jeweils ein Elektron in der
äußersten Schale besitzen. Lithium hat ein Elektron in der L-Schale, Natrium ein Elektron in der M-Schale.
2, 1
2, 8, 1
Erdalkalimetalle
Beryllium (Be – OZ 4) 2, 2
Magnesium (Mg – OZ 12)2, 8, 2
Halogene
Fluor (F – OZ 9)
Chlor (Cl – OZ 17)
Abb. 130.2
2, 7
2, 8, 7
Elemente einer Gruppe besitzen dieselbe Anzahl von Elektronen in der äußersten Schale
und haben daher ähnliche
Eigenschaften.
Abb. 130.3
Lithium und Natrium besitzen jeweils ein Elektron in der äußersten Schale
Elemente der Gruppe der Erdalkalimetalle (z.B. Beryllium, Magnesium)
besitzen zwei Elektronen in der äußersten Schale, Elemente der Gruppe der
Halogene (z.B. Fluor, Chlor) sieben Elektronen in der äußersten Schale usw.
Die Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale ist also die Ursache für
die ähnlichen Eigenschaften der Elemente einer Gruppe.
Reihung der Elemente im Periodensystem
Die bis heute beste Ordnung der Elemente ist das Periodensystem. Es
stammt von den beiden Wissenschaftlern Lothar Meyer1 und Dimitrij Iwanowitsch Mendelejew2, die die Systematik der chemischen Elemente im
Jahr 1869 völlig unabhängig voneinander erarbeitet haben.
Die Elemente einer Gruppe werden untereinander und die einzelnen Gruppen nebeneinander geschrieben. Geht man von einem Element zum nächsten, steigt die Ordnungszahl an, es kommen jeweils ein Proton und damit
ein Elektron dazu. Das Periodensystem besteht somit aus 7 waagrechten
Zeilen (Perioden) und 18 senkrechten Spalten (Gruppen) – siehe Periodensystem auf Seite xxx.
Lothar Meyer
Abb. 130.4
Dimitrij
Mendelejew
130
1 Meyer, Lothar Julius (1830–1895). Professor für Chemie und Physik in Eberswalde,
2 Mendelejew, Dimitrij Iwanowitsch (1834–1907). Dozent für Chemie in Petersburg
Periodensystem der Elemente
Abb. 131.2
Vereinfachter Aufbau des Periodensystems
In Perioden stehen Elemente mit gleicher Anzahl von Schalen
Betrachten wir die Elektronenanordnung der Elemente mit den Ordnungszahlen 1 bis 18 (siehe Tabelle125.1): Die erste (K-)Schale kann nur zwei Elektronen aufnehmen. Daher ist sie bereits beim Helium voll besetzt. In der
ersten Periode stehen somit auch nur zwei Elemente, der Wasserstoff und
das Helium. Beim Element Lithium mit der Ordnungszahl 3 wird das letzte
hinzukommende Elektron in die L-Schale eingebaut. Beim Element Neon
(Ordnungszahl 10) ist auch diese Schale voll besetzt, und das nächste Elektron kommt beim Element Natrium (Ordnungszahl 11) in die M-Schale, usw.
Element
Wasserstoff
Helium
Lithium
Beryllium
Bor
Kohlenstoff
Stickstoff
Sauerstoff
Fluor
Neon
Natrium
Magnesium
…
Chlor
Argon
…
OZ
e–
K
L
M
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
3
4
5
6
7
8
8
8
1
2
17
18
17
18
2
2
8
8
7
8
Mit jeder neuen Periode
beginnt die Besetzung einer
neuen Schale in der Elektronenhülle. Somit besitzen alle
Elemente einer Periode dieselbe
Anzahl von Schalen.
Tab. 131.1
131
10
Das Periodensystem der Elemente beruht auf der Elektronenanordnung in den Atomen.
Die 7 Perioden enthalten
jeweils Elemente mit derselben
Anzahl von Schalen.
Die 18 Gruppen enthalten
jeweils Elemente mit derselben
Anzahl von Elektronen in der
äußersten Schale.
Abb. 132.1
Elemente einer Gruppen enthalten gleiche Anzahl von Außenelektronen
Aus der Stellung eines Elementes im Periodensystem lässt sich dessen
Elektronenanordnung ableiten:
■ Die Periodennummer gibt die Anzahl der Schalen an,
■ die Gruppennummer gibt die Anzahl der Außenelektronen an. Von ihr
sind die Eigenschaften eines Elementes abhängig.
Tabelle 125.2 gibt den Zusammenhang zwischen Gruppennummer und
Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale an.
Ausnahmen
■ Helium besitzt nur zwei Außenelektronen, wird aber auf Grund seiner
Eigenschaften zu den Edelgasen mit 8 Außenelektronen gezählt.
■ Wasserstoff besitzt wie die Alkalimetalle (Lithium, Natrium, Kalium
usw.) nur ein Elektron in der äußersten Schale, hat aber völlig andere
Eigenschaften. Wasserstoff wird daher separat angeschrieben und steht
nicht in der 1. Gruppe.
Metalle – Nichtmetalle
Im Periodensystem stehen die Metalle auf der linken Seite, die Nichtmetalle auf der rechten Seite. Im Übergangsbereich befinden sich Elemente, die
sowohl metallische als auch nichtmetallische Eigenschaften besitzen. Man
nennt sie Halbmetalle.
Gruppen Nr.
Zahl der Außenelektronen
1
2
3 bis 12
13 bis 18
1
2
(meist) 2
3 bis 8
Tab. 132.1
Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über das Periodensystem
In Abb. 125.2 sind die Buchstaben A bis H keine chemischen Symbole. Sie stehen für chemische Elemente und
sie beziehen sich auf folgende Fragen:
Ü 10.1 Welches dieser 8 Elemente hat die höchste Ordnungszahl?
Ü 10.2 Bestimme die Elektronenanordnung des Elementes „D“.
Ü 10.3 Welches dieser Elemente hat die größte Anzahl von Elektronen
in der äußersten Schale?
Ü 10.4 Welches dieser Elemente hat die größte Anzahl von Schalen?
Ü 10.5 Welches dieser Elemente besitzt nur ein Elektron?
Ü 10.6Suche im Periodensystem die chemischen Symbole der Elemente
A bis H.
Ü 10.7Gib von jedem Element die Anzahl seiner Schalen und die Elektro- Abb. 132.2
nen in der äußersten Schale an (verwende dazu die Tabelle 125.2).
132
Periodensystem der Elemente
10.2 Besondere Elementfamilien
Gruppe 1 – Alkalimetalle
Kleine Mengen von Lithium, Natrium und Kalium werden der Reihe nach in eine zu 2/3 mit Wasser gefüllte Glasschale gegeben. Die
Alkalimetalle ragieren mit dem Wasser. Unter Bildung von Wasserstoff
entstehen Laugen z.B.:
Natrium + Wasser → Natronlauge und Wasserstoff.
Die Reaktion wird von Lithium zu Kalium immer heftiger. Das Kalium
schmilzt durch die Reaktionswärme und der gebildete Wasserstoff
entzündet sich.
Bringt man wässrige Lösungen von Verbindungen der Alkalimetalle
(zB LiCl, NaCl, KCl) mit Hilfe eines Platindrahtes in die Flamme eines
Bunsenbrenners, so zeigen sich charakteristische Flammenfärbungen:
Lithium: rot, Natrium: intensiv gelb, Kalium: violett
■ Die Alkalimetalle bilden die 1. Gruppe im Periodensystem und besitzen 1
Elektron in der äußersten Schale.
■ Sie sind grau, weich und lassen sich mit dem Messer schneiden. An der
Schnittfläche sind sie silberglänzend.
■ Alkalimetalle sind sehr reaktionsfähig. Bei der Reaktion mit Wasser
entstehen eine Lauge und Wasserstoff (s. Experiment). Alkalimetalle
dürfen daher nicht an der Luft gelagert werden. Sie werden in Petroleum
aufbewahrt.
■ Verbindungen der Alkalimetalle können eine Flamme färben (s. Experiment).
Abb. 133.2
Abb. 133.1
Alkalimetalle Natrium und Kalium
(links: Natrium, rechts: Kalium)
Flammenfärbung (Li-Na-K-Rb-Cs)
Gruppe 2 – Erdalkalimetalle
■ Die Erdalkalimetalle bilden die 2. Gruppe im Periodensystem und besitzen 2 Außenelektronen.
■ Sie haben ähnliche Eigenschaften wie die Alkalimetalle, sind aber weniger reaktionsfähig. Sie können daher an der Luft gelagert werden.
■ Magnesium verbrennt mit einer grellen Flamme zu Magnesi-umoxid.
■ Verbindungen der Erdalkalimetalle können ebenfalls eine Flamme färben. Sie werden daher zur Herstellung von Feuerwerken verwendet.
Abb. 133.3
Kein Feuerwerk ohne Alkali- und Erdalkalimetalle
133
10
Gruppen 3 bis 12 – Übergangselemente
■ Die Übergangselemente bilden die Gruppen 3 bis 12 im Periodensystem.
Sie besitzen meist 2 Außenelektronen.
■ Alle Übergangselemente sind Metalle. Zu ihnen zählen z.B. die Elemente
Eisen, Kupfer, Zink, Gold, Silber, Quecksilber (siehe Periodensystem auf
Seite xxx)
Abb. 134.1
Walt-Disney-Concert Hall in Los Angeles
aus rostfreiem Stahl
Abb. 134.2
Chlor wird zum Desinfizieren von
Schwimmbädern verwendet.
Abb. 134.3 Leuchtreklamen
Abb. 134.4
134
Gruppe 17 – Halogene
■ Die Halogene bilden die 17. Gruppe im Periodensystem und besitzen 7
Außenelektronen.
■ Sie sind Nichtmetalle.
■ Sie sind sehr reaktionsfähig. Chlor reagiert z.B. mit Natrium zu Natriumchlorid (Kochsalz).
■ Chlor wird als Bleichmittel und Desinfektionsmittel (z.B. in Schwimmbädern) verwendet.
■ Verbindungen von Fluor sind in Zahnpasten enthalten um Karies vorzubeugen.
■ Chlor ist ein wichtiger Rohstoff. Es wird beispielsweise zur Herstellung
von Salzsäure oder dem Kunststoff PVC benötigt.
Gruppe 18 – Edelgase
■ Die Edelgase bilden die 18. Gruppe im Periodensystem. Sie besitzen mit
Ausnahme von Helium 8 Elektronen in der äußersten Schale.
■ Sie sind farblose Gase, sind sehr reaktionsträge und nicht brennbar.
■ Sie kommen nur in geringer Menge in Form von Einzelatomen in der Luft
vor.
■ Helium wird zum Füllen von Ballonen verwendet, weil es leichter als Luft
und unbrennbar ist.
■ Edelgase werden für Leuchtreklamen, zum Füllen von Leuchtmitteln (z.B.
Xenonlampen für Autoscheinwerfer) verwendet.
Die Geschichte der Entdeckung der Edelgase
1785 hatte der englische Gelehrte Henry Cavendish gezeigt, dass Luft neben
Stickstoff und Sauerstoff mindestens einen dritten Bestandteil enthalten
müsse. Aber erst 1894, als schon die meisten natürlichen Elemente bekannt
waren, gelang den beiden englischen Forschern Ramsay und Rayleigh die
Isolierung des ersten Edelgases aus der Luft. 1892 war Lord Rayleigh aufgefallen, dass der aus Luft gewonnene Stickstoff eine größere Dichte besaß
als der durch Zersetzung von Stickstoffverbindungen erzeugte. Ramsay
zog daraus den richtigen Schluss, dass „Luftstickstoff“ noch ein anderes,
unbekanntes Gas enthalten müsse. Er isolierte diese Substanz und nannte
sie Argon (griech. „träge“). Die Suche nach weiteren Elementen mit ähnlichen Eigenschaften war schon bald erfolgreich. Ramsay wies nach, dass
aus bestimmten Mineralien ein Gas entwich, das identisch war mit einer
Substanz, die in der Sonne enthalten ist: Helium (griech. „Sonne“). Etwa zur
selben Zeit wurde vom deutschen Ingenieur Carl von Linde ein Verfahren
zur Verflüssigung von Luft entwickelt. Ramsay nützte dieses Verfahren, um
Argon zu verflüssigen und fand bei dessen Trennung durch Destillation drei
neue Edelgase, das Krypton (griech. „verborgen“), das Neon (griech. „neu“)
und das Xenon (griech. „fremd“). Das radioaktive Radon konnte allerdings
erst 1910 von Ramsay näher charakterisiert werden.
Periodensystem der Elemente
Mit den folgenden Übungen zeigst du deine grundlegenden Kenntnisse über das Periodensystem und einige
besondere Elementfamilien.
Ü 10.8 Warum besitzen Elementfamilien ähnliche Eigenschaften?
Ü 10.9 Warum müssen die Alkalimetalle unter Petroleum aufbewahrt werden?
Ü 10.10Welches Element ist reaktionsfähiger: Natrium oder Magnesium?
Ü 10.11 Welche der folgenden Elemente sind Übergangselemente? Barium, Natrium, Eisen, Cobalt, Chlor, Mangan, Gold, Silber, Calcium,
Kupfer, Aluminium, Zink, Wasserstoff, Krypton (verwende dazu
das Periodensystem auf Seite xxx).
Ü 10.12 Suche in deiner Umgebung nach Gegenständen, die aus
Übergangselementen bestehen.
Ü 10.13 Welcher Buchstabe A bis H steht in Abb. 127.3 für ein Alkalimetall,
Erdalkalimetall, Übergangselement, Halogen bzw.Edelgas?
Ü 10.14Verschiedenen Glühlampen enthalten Iod. Zu welcher Elementfa- Abb. 135.1
milie gehört das Element Iod und wie nennt man diese Art der
Glühlampen?
10.3Elektronenanordnung der
Edelgase
Edelgaskonfiguration
Edelgase besitzen
■ 8 Elektronen in der äußersten Schale (mit Ausnahme von Helium, das 2
besitzt) und sind daher
■ außerordentlich reaktionsträge.
Diese besondere Anordnung von 8 Elektronen in der äußersten Schale
nennt man auch Elektronenoktett oder Edelgaskonfiguration. Sie stellt
eine ideale und besonders stabile Elektronenanordnung dar. Diese wird
auch von allen anderen Elementen angestrebt. Atome können solche
abgeschlossenen äußeren Schalen z.B. durch Aufnahme bzw. Abgabe von
Elektronen erreichen.
Jedes Element strebt nach
einer Edelgaskonfiguration. Es
erreicht diese durch Aufnahme
oder Abgabe von Elektronen.
Beispiel 10.1
Wie erreicht Mg (OZ = 12) ein stabiles Elektronenoktett?
Mg hat 12 p+ und 12 e– (2, 8, 2).
Durch Abgabe der beiden Elektronen in der M-Schale entsteht ein
Elektronenoktett in der L-Schale.
Jetzt besitzt Mg nur mehr 10 e–, und hat daher die Ladung 2+.
2+
Abgabe von 2e–
MgMg
2, 8, 32, 8
135
10
Je näher ein Atom der Edelgaskonfiguration ist, umso leichter wird es
Elektron(en) aufnehmen und Anionen bilden. Z.B.: Chlor steht in der
17. Gruppe und hat daher 7 Außenelektronen. Durch Aufnahme von einem
Elektron erreicht es 8 Elektronen in der äußersten Schale. Dabei bildet sich
ein Chlor-Anion (Cl–).
Abb. 136.1
Ein Chlor-Atom nimmt ein Elektron auf und bildet ein Cl–-Ion.
Je geringer die Anzahl der Außenelektronen ist, umso leichter wird das
Atom Elektron(en) abgeben und Kationen bilden. Z.B.: Natrium steht in
der 1. Gruppe und hat daher 1 Außenelektron. Durch Abgabe dieses Elektrons erreicht es 8 Elektronen in der äußersten Schale. Dabei bildet sich ein
Natrium-Kation (Na+).
Abb. 136.3
Bildung von Ionen
Abb. 136.2
Ein Natrium-Atom gibt ein Elektron ab und bildet ein Na+-Ion.
Mit den folgenden Übungen kannst du einen Zusammenhang herstellen zwischen dem Aufbau der Elektronenhülle und der Bildung von Ionen.
Ü 10.15 Welche der folgenden Elemente geben Elektronen ab und bilden Kationen, welche nehmen Elektronen auf und bilden Anionen? Natrium, Fluor, Calcium, Chlor, Lithium, Brom, Magnesium
Ü 10.16 Das Element Fluor besitzt die Ordnungszahl 9.
a) Wie viele Protonen und Elektronen besitzt es?
b) Wie sind die Elektronen auf die einzelnen Schalen verteilt?
c) Wie kann ein Fluor-Atom ein Elektronenoktett erreichen? Wie ist es dann geladen?
Ü 10.17 Das Element Kalium steht in der ersten Gruppe des Periodensystems.
a) Wie viele Elektronen besitzt es in der äußersten Schale?
b) Wie kann ein Kalium-Atom ein Elektronenoktett erreichen? Wie ist es dann geladen?
Ü 10.18 Zeichne das Schalenmodell des Atoms Sauerstoff (OZ = 8). Wie erreicht es eine Edelgaskonfiguration?
Ü 10.19 Welches Element der folgenden Paare wird leichter ein Elektron abgeben: Chlor oder Kalium; Aluminium oder Helium; Natrium oder Brom?
Ü 10.20 Welches Element der folgenden Paare wird leichter ein Elektron aufnehmen: Iod oder Kalium; Sauerstoff oder Argon; Natrium oder Brom?
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Periodensystem der Elemente
Ü 10.21 Löse folgendes Kreuzworträtsel. (Alle Begriffe stammen aus den Kapiteln Atombau und
Periodensystem.)
WaagrechtSenkrecht
3. Übergangselement
1. positiv geladenes Ion
7. Wird zum Füllen von Ballons verwendet
2. Halogen
8. Befindet sich in der Atomhülle
3. Metall
10. Erstes Element der 13. Gruppe
4. Abkürzung für Periodensystem der Elemente
11. Element mit dem chem. Symbol Sn
5. chemisches Symbol für Aluminium
15. Atome mit der gleichen Ordnungszahl und
verschiedener Massenzahl
6. Kernbaustein
9. Vorname von Meyer
18. Übergangselement
12. geladenes Teilchen
20. negativ geladenes Ion
13. Kernbaustein
23. Edelgas
14. chem. Symbol für Eisen
25. Halogen
16. Kunststoff, der aus Chlor hergestellt wird
27. kleinstes Teilchen eines Elements
17. Edelgas
28. senkrechte Spalte im Periodensystem
19. Alkalimetall
30. chem. Symbol für Argon
21. Vorname von Bohr
31. Nobelpreisträger für Physik
22. Abkürzung für Ordnungszahl
33. Halogen
24. Element mit dem chem. Zeichen Au
34. Abkürzung für Massenzahl
26. chem. Symbol von Quecksilber
36. Polnische Wissenschafterin
29. horizontale Zeile im Periodensystem
32. Entdecker des ersten Edelgases
35. chem. Symbol von Brom
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