Wo die Elektronen wohnen Magnetische Eigenschaften

Wo die Elektronen wohnen
Magnetische Eigenschaften
Manche Stoffe werden von Magneten angezogen, andere nicht. Eine faszinierende Eigenschaft, die wir, wie viele andere,
mit Hilfe des Periodensystems erklären können.
Im Periodensystem sind die Elemente nach aufsteigender Ordnungszahl geordnet. Die Ordnungszahl gibt an, wie viele
Protonen und damit auch wie viele Elektronen das Element im ungeladenen Zustand besitzt.
Die „Topmodels“ sind die Edelgase (8. Hauptgruppe): Die anderen Elemente wollen, dass ihre Elektronenkonfiguration
genauso aussieht wie die des folgenden oder vorhergehenden Edelgases.
Das erreichen sie durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen (dann entstehen geladene Teilchen, Ionen), oder sie teilen
sich Elektronen mit anderen Atomen und nutzen sie gemeinsam (dann entsteht eine Molekülbindung).
Die Anzahl der Elektronen in der äußeren Schale (Periode) bestimmt viele Eigenschaften der Elemente, auch die
magnetischen. Frage 1 (Klassenstufe 7-11) Zur Erklärung müssen wir zunächst wissen, wie die Elektronen im Atom angeordnet sind. Da das keiner je gesehen hat,
brauchen wie Modelle, die uns helfen, zu erklären, was wir beobachten.
Ein sehr einfaches Atommodell hat Niels Bohr entwickelt; er beschrieb die Atome ähnlich einem Sonnensystem, auf dem
Elektronen um einen Kern kreisen. Das kann man sich gut vorstellen, allerdings kann man mit diesem Modell viele
Beobachtungen nicht erklären. Inzwischen geht man von sehr viel komplizierteren Modellen aus, bei denen sich die
Elektronen in bestimmten Bereichen des Atoms bevorzugt aufhalten. Mit Hilfe eines Periodensystems wollen wir
zunächst die nachstehende Tabelle vervollständigen:
Periode oder
Schale
Edelgas
Ordnungszahl des
Edelgases
Max. # Elektronen in der Struktur nach
Periode
Periodensystem
# Kästchen in
der Periode
1
He
2
2
2
1
2
Ne
10
8
2+6
1+3
3
A
18
8
2+6
1+3
4
Kr
B
18
2+10+6
1+5+3
5
Xe
54
C
2+10+6
1+5+3
6
Rn
86
32
D
1+7+5+3
7
unbekannt 118
32
2+14+10+6
E
Spalte 2 und 3:
Für jede Periode wird das entsprechende Edelgas mit seiner Ordnungszahl gesucht. Spalte 4:
Dann zählen wir die maximale Anzahl der Elektronen in der Periode. Dazu können wir die Anzahl der Elemente zählen,
die in der Periode vorhanden sind.
Achtung:
Die 7. Periode ist noch nicht vollständig (es wurden noch nicht alle Elemente entdeckt). Wir zählen diese trotzdem,
Die 7. Periode ist noch nicht vollständig (es wurden noch nicht alle Elemente entdeckt). Wir zählen diese trotzdem,
als ob es die fehlenden Elemente schon geben würde.
Je nachdem, was für ein Periodensystem ihr benutzt, sind in der 6. und 7. Periode jeweils Elementreihen aus dem
Periodensystem herausgenommen (die sogenannten Lanthanoide und Actinoide). Dies ist aber nur passiert, damit
das Periodensystem gut auf ein Blatt Papier passt. Wir müssen diese Elemente an der richtigen Stelle mitzählen.
Spalte 5:
Das Periodensystem hat mehrere Stufen. Wir müssen die Anzahl der Elemente innerhalb jeder einzelnen Stufe zählen.
Nicht alle Stufen kommen in jeder Periode vor. In Gedanken (oder auf unserem Periodensystem) ziehen wir am Ende
jeder Stufe einen dicken Strich:
zwischen Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra und La, Ac
zwischen Yb, No und Sc, Y, Lu, Lr
zwischen Zn, Cd, Hg und B, Al, Ga, In, Tl
Jetzt zählen wir für jede Periode die Anzahl der Elemente zwischen Anfang, den jeweiligen Strichen und dem Ende der
Periode und schreiben diese auf.
Spalte 6:
Wir nehmen das Ergebnis von Spalte 5 und teilen die Zahl jeweils durch 2.
Was muss in den Kästchen anstelle der roten Buchstaben stehen?
A:
Lösung:
Ar (Argon)
B:
Lösung:
36
C:
Lösung:
18
D:
Lösung:
2+14+10+6
E:
Lösung:
1+7+5+3
Zusatzfrage für die Klassen 9-11 Was hat es nun mit den Kästchen der Spalte 6 auf sich?
Das müsst ihr euch wie Zugfahren vorstellen: Jeder, der einsteigt, setzt sich zunächst auf einen freien 2er- Platz. Erst,
wenn die Plätze alle einfach besetzt sind, setzten sich die fremden Leute auch mal nebeneinander.
Um Platzierung und Zustand von Elektronen anschaulich zu machen, hat man sich die Kästchen (Orbitale) als Hilfsmittel
genommen. In jedes passen 2 Elektronen.
Allerdings benehmen sich diese wie die Fahrgäste: erst eines in jedes Kästchen und dann wird aufgefüllt.
Die einzelnen Perioden sind dann wie Züge. Erst, wenn der eine voll ist, dürfen die Fährgäste in den nächsten einsteigen.
Wie im Zug, gibt es auch im Atom unterschiedliche „Abteile“. Um im Bild zu bleiben: Die Fahrgäste sitzen lieber im
Zweierabteil. Erst, wenn das voll ist, gehen sie auch in den Großraumwagen. So wird in der 2. Periode mit Li (1 Elektron)
und Be (2 Elektronen) zuerst das 1. Kästchen gefüllt.
Die folgenden 3 Kästchen sind der Großraumwagen. Erst werden drei einzelne Plätze besetzt, dann die Doppelsitze.
Abfahrt!
In dem Bild unten haben wir die Besetzung der Kästchen (Orbitale) mit Elektronen dargestellt.
Wir können uns die Elektronen als kleine Magnete mit Nord- und Südpol vorstellen. Solange jedes Elektron ein Kästchen
für sich hat, richten sie sich alle in dieselbe Richtung aus (z.B. alle mit dem Nordpol nach oben). So bekommt jedes
zusätzliche Elektron von B bis N sein eigenes Kästchen. Kommt aber ein zweites Elektron in ein Kästchen hinzu, muss
dieses in die entgegengesetzte Richtung weisen. Beim Stickstoff sind 4 Kästchen gefüllt. Eins mit 2 Elektronen und 3
Wir können uns die Elektronen als kleine Magnete mit Nord- und Südpol vorstellen. Solange jedes Elektron ein Kästchen
für sich hat, richten sie sich alle in dieselbe Richtung aus (z.B. alle mit dem Nordpol nach oben). So bekommt jedes
zusätzliche Elektron von B bis N sein eigenes Kästchen. Kommt aber ein zweites Elektron in ein Kästchen hinzu, muss
dieses in die entgegengesetzte Richtung weisen. Beim Stickstoff sind 4 Kästchen gefüllt. Eins mit 2 Elektronen und 3
Kästchen mit jeweils 1 Elektron. Auf diese Art und Weise lässt sich das ganze Periodensystem mit Elektronen auffüllen.
So ergibt sich z.B. für die 2. Periode:
Quelle: DECHEMAX
Wo sind nun die magnetisch aktivsten Elemente?
Für die magnetischen Eigenschaften der Elemente ist es entscheidend wie viele „ungepaarte“ Elektronen vorhanden sind
(d.h. wie viele Elektronen ein Kästchen für sich alleine haben).
Periode Anzahl Elektronen, die alleine in Kästchen sind Element
1
1
H
2
3
N
3
3
P
4
5
Mn
5
5
Tc
6
7
Eu
7
7
Am
Diese Elemente sind theoretisch die maximal magnetisch aktivsten Elemente in der jeweiligen Periode. Wenn ihr euch
jetzt fragt, warum ihr noch nie etwas von magnetischem Mangan gehört habt, liegt das wahrscheinlich daran, dass man –
wenn überhaupt – mit verschiedenen Manganverbindungen zu tun hat, aber nur im seltensten Fall mit metallischem
Mangan. Um Magnetismus technisch einsetzen zu können, sind deshalb noch andere Eigenschaften der Elemente wichtig:
Kommen diese überhaupt elementar vor, lassen sie sich gut verarbeiten, wie teuer sind sie...
Magnetische Bauteile gibt es in sehr verschiedenen Geräten. Ordnet im folgenden die Materialien ihren Einsatzgebieten
zu.
Vor der Cloud, der Festplatte und sogar der CD waren Kassetten die wichtigsten Speichermedien für Musik. Sie waren
mit Eisenoxid oder mit diesem Material beschichtet:
Neodym
Chromdioxid
Nickel- Eisen- Kobalt- Legierung
Ferrit
Lösung:
Chromdioxid oder CrO2
Bei diesem „Selten- Erd“- Element werden die ungepaarten Elektronen von den äußeren Schalen „abgeschirmt“. Daraus
resultiert ein besonders starker Magnetismus – wichtig zum Beispiel für die Windkrafterzeugung.
Neodym
Chromdioxid
Nickel- Eisen- Kobalt- Legierung
Ferrit
Lösung:
Neodym
Das sogenannte „Mu- Metall“ dient vor allem dazu, magnetische Felder abzuschirmen. So kann verhindert werden, dass
empfindliche Messgeräte oder Bildröhren durch äußere Magnetfelder gestört werden
Neodym
Chromdioxid
Nickel- Eisen- Kobalt- Legierung
Ferrit
Lösung:
Nickel- Eisen- Kobalt- Legierung
Dieses Material, dessen Hauptbestandteil Eisenoxid ist, gehört zu den kostengünstigsten Materialien; daraus bestehen zum
Beispiel die klassischen Hufeisenmagnete, die ihr aus der Schule kennt.
Neodym
Chromdioxid
Nickel- Eisen- Kobalt- Legierung
Ferrit
Lösung:
Ferrit
Zusatzfrage (Klassenstufe 11) Damit verstehen wir den Magnetismus der einzelnen Atome. Aber wie funktioniert das in einem Metallblock? Ein Stück
Eisen besteht zwar aus lauter Atomen, die magnetisch sind (wie wir mit unseren Kästchen beweisen können), dennoch
zeigt ein frisch aus der Schmelze kommender Block Eisen erst einmal keine magnetischen Eigenschaften.
Wie die magnetischen Eigenschaften zustande kommen, veranschaulicht das folgende Diagramm:
Quelle: DECHEMAX
Die einzelnen Atome und damit ihre Elektronen in den Kästchen liegen zunächst bunt gemischt nebeneinander. Die
Anordnung ist zufällig und damit zeigt sich nach außen keine magnetische Eigenschaft. Das liegt daran, dass die
magnetischen Kräfte der einzelnen Atome in verschiedene Richtungen wirken und sich so gegenseitig aufheben (Punkt 1).
Wird nun ein starkes magnetisches Feld angelegt (x- Achse), richten sich die einzelnen Elektronen innerhalb der Kästchen
in die Richtung des magnetischen Feldes aus. Dieser Effekt hängt von der Stärke des angelegten Magnetfeldes ab. Das
Material hat seine maximale Magnetisierung erreicht, wenn alle Elektronen in ihren Kästchen in die Richtung des
Magnetfeldes zeigen (Punkt 3).
Es gibt noch eine Besonderheit: Man kann die gestrichelte Linie nicht mehr zurück gehen. Auch wenn das Magnetfeld
abgeschaltet wird, bleibt das Stück Eisen dauerhaft magnetisiert (Punkt 4). Die Magnetisierung kann nur durch Erhitzen
des Metalls wieder ungeschehen gemacht werden.
Punkt im
Diagramm
Zustand des Materials
Elektronenstruktur Stärke und Richtung des
(angelegten) Magnetfeldes
Magnetisierung
des Materials
1.
Frisch aus der Schmelze,
nicht magnetisch
++--
0
Keine
2.
1. Magnetisierung
++-+
+
Schwach
magnetisch
3.
Maximale Magnetisierung
(+)
++++
+++
Stark magnetisch
4.
Kein äußeres Magnetfeld
+++-
0
Schwach
magnetisch
5.
Äußeres Magnetfeld
kompensiert Material
-++-
-
Nicht magnetisch
6.
Maximale Magnetisierung
(-)
A
---
Stark magnetisch
7.
B
-+--
0
Schwach
magnetisch
8.
Äußeres Magnetfeld
kompensiert Material
--++
+
C
Ergänze anhand der Abbildung diese Tabelle. Füllt aus, was anstelle der roten Buchstaben stehen muss:
A:
Lösung:
---B:
Lösung:
Kein äußeres Magnetfeld
C:
Lösung:
Nicht magnetisch
Quelle: http:// dechemax.de/- p-122975- quickedithide-1.htm? rewrite_engine=id
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