Atombau und PSE - Lösungsvorschlag
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie – „Atombau und Periodensystem der Elemente“ - Lösungsvorschlag - In einem Chemiebuch hat Michael die nebenstehende Abbildung entdeckt. Leider kann er damit nichts anfangen – kannst du ihm helfen? a) Gib Michael möglichst viele Informationen an, die du aus der Abbildung herauslesen kannst. Das Bild zeigt das Symbol für das Element Beryllium. 9 Massenzahl 4 Protonenzahl (Ordnungszahl) Ein Be-Atom besitzt 4 Protonen (im Kern). Ein Be-Atom besitzt 4 Elektronen (in der Hülle). Ein Be-Atom besitzt 5 Neutronen (im Kern). Ein Be-Atom besitzt die relative Atommasse 9 u. (1 mol Beryllium besitzt die Masse 9 g). b) Fertige eine einfache, beschriftete Skizze zum Bau eines Be-Atoms an. Atomkern (schematisch) Atomhülle Protonen (p+) Elektronen (e) Neutronen (n) a) Nimm dein Periodensystem der Elemente zur Hand und schreibe in die Zeilen sechs Informationen, die du für das Element Aluminium herauslesen kannst. 1. Aluminium steht in der Hauptgruppe III 3 Valenzelektronen. 2. Aluminium steht in der 3. Periode 3 Schalen (Bohr). 3. Ein Aluminium-Atom besitzt 13 Protonen im Kern. 4. Ein Aluminium-Atom besitzt 13 Elektronen in der Hülle. 5. Ein Aluminium-Atom besitzt 14 Neutronen im Kern. 6. Ein Aluminium-Atom besitzt die relative Atomasse 27 u (26,98154 u). b) Zeichne nun das Bohrsche Atommodell für ein Aluminium-Atom. 13p+ © 2010 – Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung – Abteilung Realschule – Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie – Martin hat in der letzen Chemiestunde leider nicht richtig aufgepasst. Nun hofft er, dass ihm seine Klassenkameraden weiterhelfen können. 12 16 C Das ist das Symbol für die Verbindung Kohlenstoff. ? Kohlenstoff ist aus 12 Protonen, 6 Elektronen und 12 Neutronen aufgebaut. Julia Martin Kohlenstoff besitzt die relative Atommasse 12 u. Hans Karin a) Um welches Thema könnte es sich in der letzten Unterrichtsstunde gehandelt haben? z. B.: In der Stunde könnte es sich um die Atomkennzahlen und deren Bedeutung gehandelt haben. In der Stunde könnte das PSE besprochen worden sein und wie man daraus Informationen über Elemente bzw. deren Atome herauslesen kann. b) Lies dir die Aussagen von Julia, Karin und Hans genau durch. Gib an, welche Aussage(n) fachlich richtig ist/sind. Verbessere alle falschen Aussagen. Julia: falsche Aussage; bei Kohlenstoff handelt es sich um ein Element Hans: falsche Aussage; das Kohlenstoffatom ist aus 6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen aufgebaut Karin: richtige Aussage c) Formuliere eine weitere Aussage, die zum Thema der betreffenden Unterrichtsstunde passt. z. B.: - Das Elementsymbol für Kohlenstoff ist C. - Elemente sind Stoffe, die sich nicht mehr in andere Stoffe zerlegen lassen. - Im PSE stehen nur Elemente. - 6 entspricht der Protonenzahl (Ordnungszahl). - Massenzahl – Protonenzahl = Anzahl an Neutronen. © 2010 – Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung – Abteilung Realschule – Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie – Uwe hat in seinem Schulbuch folgende Skizze zum Bohrschen Atommodell entdeckt: 9 p+ a) Gib mithilfe des PSE an, welches Atom hier dargestellt ist. Es handelt sich um ein Fluor-Atom (Elementsymbol: F). b) Begründe anhand des oben dargestellten Bohrschen Atommodells die Stellung dieses Elements im PSE. Das Fluor-Atom besitzt zwei Schalen, demzufolge muss es sich in der zweiten Periode des PSE befinden. Das Fluor-Atom besitzt sieben Valenzelektronen, weshalb es im PSE in der siebten Hauptgruppe steht. c) Zeichne das Bohrsche Atommodell für die folgenden Atome: I. C-Atom II. S-Atom 6 p+ 16 p+ d) Beschreibe für eines der gezeichneten Atommodelle aus Teilaufgabe c) den Aufbau des Kerns. z. B.: Kohlenstoff-Atom (C): [Schwefel-Atom (S): 6 Protonen, 6 Neutronen 16 Protonen, 16 Neutronen] Betrachte die folgenden Atommodelle genauer: 4 p+ 10 p+ I. Neon (Ne) II. Beryllium (Be) 17 p+ III. Chlor (Cl) a) Stelle die Atommodelle gegebenenfalls richtig. b) Um welche Atome handelt es sich bei den Modellen? Trage die Namen und die Elementsymbole in die Zeile unter den Abbildungen ein. c) Zeichne nun für eines der obigen Atome das Kern-Hülle-Modell und beschrifte es vollständig. © 2010 – Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung – Abteilung Realschule – Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie – z. B.: Atomkern (schematisch) Atomhülle Protonen (p+) Elektronen (e) Neutronen (n) Kern-Hülle-Modell des Be-Atoms d) „Atome sind nach außen hin stets elektrisch neutral geladen.“ Erkläre diese Aussage mithilfe deiner chemischen Kenntnisse. Atome sind nach außen hin stets elektrisch neutral geladen, da die Anzahl an positiv geladenen Protonen (p+) im Kern stets der Anzahl an negativ geladenen Elektronen (e) in der Hülle entspricht. Marina hat im Internet zum Begriff „Isotope“ die folgenden Symbole entdeckt: a) Erstelle eine Tabelle und trage in diese Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede der beiden Isotope ein. GEMEINSAMKEITEN Beide Atome besitzen die Ordnungszahl 15. Beide Atome besitzen 15 p+. UNTERSCHIEDE Die beiden Atome besitzen eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen (n). Die Atome unterscheiden sich in ihrer relativen Atommasse. Beide Atome besitzen 15 e. Es handelt sich bei beiden um Phosphor (P)Atome. b) Erkläre anhand deiner Erkenntnisse aus Teilaufgabe a) den Begriff „Isotop“. Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Massenzahl, aber gleicher Protonenzahl. Die Unterschiede in der Massenzahl ergeben sich aus der abweichenden Neutronenzahl im Kern. c) Finde mithilfe einer geeigneten Quelle (Lexikon, Buch, Internet, …) heraus, wo Isotope des Phosphors auf der Erde vorkommen und wozu sie verwendet werden können. Fasse mit eigenen Worten zusammen. Individuelle Lösung, je nach Quellen. d) In der Natur treten die Isotope eines Elements häufig nebeneinander auf. Überlege dir eine Möglichkeit, wie Isotope voneinander getrennt werden könnten, und begründe deinen Vorschlag. (Tipp: Teilaufgabe b) kann dir helfen.) Da sich Isotope eines Elements in ihrer Masse voneinander unterscheiden, könnte man sie z. B. durch Zentrifugieren voneinander trennen. © 2010 – Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung – Abteilung Realschule – Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie – Eine chemische Diskussion: Das ist falsch, die Spalten heißen Perioden. Die Spalten im PSE heißen Gruppen. Außenelektronen werden auch als Kulanzelektronen bezeichnet. Julia Martin Hans Alle Stoffe, die in einer Periode stehen, besitzen die gleiche Anzahl an Außenelektronen. Die Elemente Li, Na und K besitzen den Oktettzustand. Karin Tim a) Über welches Thema unterhalten sich die Schülerinnen und Schüler? z. B.: Es geht um das Periodensystem der Elemente. Die Schüler/innen diskutieren über den Aufbau des PSE. Die Schüler/innen unterhalten sich darüber, welche Informationen über ein Element aus dem PSE herausgelesen werden können. b) Kreuze an, welche der obigen Aussagen richtig ist. Stelle die anderen, falschen Aussagen fachlich richtig. Schüler Richtig Falsch, weil … Martin Julia siehe Martin Hans Außenelektronen werden auch als Valenzelektronen bezeichnet. Tim Die He-, Ne-, Ar-, Kr-, Xe- und Rn-Atome besitzen den Oktettzustand. Alle Elemente, die in einer Periode stehen, besitzen die gleiche Anzahl an Schalen. (Alternativ: Alle Stoffe, die in einer Gruppe stehen, besitzen die gleiche Anzahl an Außenelektronen.) Karin c) Mit dem von Tim verwendeten Fachbegriff kann leider keiner aus der Gruppe etwas anfangen. Kannst du diesen seinen Klassenkameraden erklären? Als Oktettzustand bezeichnet man eine mit acht Valenzelektronen besetzte Außenschale (Valenzschale). Dieser Zustand ist energetisch günstig. Ausnahme: Elemente der ersten Periode erreichen diesen bereits mit zwei Elektronen auf der Außenschale. © 2010 – Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung – Abteilung Realschule – Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie – Die Radiocarbonmethode – eine Möglichkeit zur Altersbestimmung In höheren Schichten unserer Atmosphäre entsteht durch radioaktive Höhenstrahlung das radioaktive Kohlenstoffisotop 14C (alternative Schreibweise: C-14). Durch das Wettergeschehen wird das 14CIsotop nun mit dem nicht radioaktiven 12C vermischt, wobei das Verhältnis der beiden Isotope, die sich beide chemisch gleich verhalten, seit Millionen von Jahren auf der Erde konstant ist. Die Kohlenstoffatome verbinden sich mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid (14CO2, 12CO2). Durch die Fotosynthese gelangt das Kohlenstoffdioxid in die Pflanzen und über die Nahrungskette (z. B. Kühe fressen Gras; der Mensch ernährt sich vom Fleisch der Kühe) auch in den menschlichen Körper. Dabei ist die Menge des 14C-Isotops, das jeder Mensch in seinem Körper besitzt, immer ziemlich konstant (= 4,0·105 C-14-Atome). Stirbt der Mensch, so nimmt er logischerweise keinen Kohlenstoff mehr über die Nahrung auf. Das sich im Körper befindliche radioaktive 14C-Isotop zerfällt nun langsam – genauer gesagt halbiert sich die Anzahl an Kohlenstoffatomen alle 5 730 Jahre (= Halbwertszeit). a) Stelle die oben beschriebenen Vorgänge mithilfe einfacher Skizzen grafisch dar. Fotosynthese 14C gelangt in die Pflanze. Tiere nehmen über die Pflanzennahrung 14C in den Körper auf. Der Mensch nimmt über die Nahrung 14C in den Körper auf. Stirbt der Mensch, so nimmt er kein 14C mehr auf. b) Berechne, wie viele 14C-Atome sich nach zwei Halbwertszeiten noch im Körper eines toten Menschen befinden. Nach einer Halbwertszeit befinden sich noch 2,0 . 105 C-14-Atome im Körper. Nach zwei Halbwertszeiten befinden sich noch 1,0 . 105 C-14-Atome im Körper. c) Archäologen haben in einer Gletscherspalte eine Mumie gefunden. Mithilfe der Radiocarbonmethode wollen sie nun das Alter der Mumie bestimmen. Dabei haben sie durch eine spezielle Messung herausgefunden, dass sich in den Knochen der Mumie noch 2,0·105 C-14-Atome befinden. Gib an, wie alt die Mumie in etwa ist. 2,0 . 105 C-14-Atome sind nach einer Halbwertszeit noch in den Knochen der Mumie enthalten. Da eine Halbwertszeit 5 730 Jahre beträgt, muss die Mumie ungefähr so alt sein. © 2010 – Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung – Abteilung Realschule
