Entstehung der Elemente

Allgemeine Chemie
21.10.02
Entstehung der Elemente
- vor 15 Milliarden Jahren: alle Materie in Form von Energie auf kleinsten Raum
konzentriert (Durchmesser ≤ 10-48m) > Urknall Expansion und Abkühlung des
Universums
- in den ersten 10-43 Sekunden waren die vier physikalischen Kräfte (Gravitation, starke
Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung und elektromagnetische
Wechselwirkung) noch vereint
- nach 1 Sekunde entstehen aus einem Quark-Gluonen-Plasma (heiße Elektronen +
Quarks) Elementarteilchen (Protonen, Neutronen, Elektronen, Positronen, Neutrinos
etc.) > 1010K erreicht
4
2+
- nach 100 Sekunden > 109K erreicht: He-Kerne sind stabil 2 He
-
nach 105 Jahren > 104K erreicht: Wasserstoff- und Heliumatome stabil > Atome
haben sich gebildet > Gravitation führt zur Sternbildung
Verschmelzung von H und He erzeugt Energie > einige Sterne 5 · 108K > Erzeugung
schwererer Elemente (O, C, S, Mg, Fe)
Kerne verschmelzen solange bis ein Brennstoffmangel eintritt
Sternenstabilität durch „Brennstoffmangel“ > Supernova Explosion unter Erzeugung
schwererer Elemente (z.B. Pb)
außer H und He sind alle Elemente unseres Körpers in einem Stern erzeugt
Periodensystem
1829 Döbereiner sortierte Elementen nah Triaden (z.B. Na, K, Li bildeten eine Triade)
1871 PSE von Mendelejew und Meyer
Edelgase waren nicht bekannt, da sie erstens nur in sehr geringen Mengen in der Atmosphäre
vorhanden sind und sie keine chemischen (bzw. nur sehr wenige) Reaktionen eingehen
Atome, Moleküle, Ionen, primitive chemische Bindungen
Priestley (1733 – 1804) isolierte Sauerstoff aus Quecksilberoxid (1774)
∆T
2 HgO →
O2 + 2Hg
Lavoisier (1743 – 1794):
- Sauerstoff unterhält die Verbrennung
- in chemischen Reaktionen bleiben Massen erhalten
Proust (1754 – 1826): Gesetz der konstanten Proportionen
2 H2 + O2 → 2H2O
! Gilt nur für Molekül Chemie!
2 C + O2 → 2 CO
vgl. Legierungen
C + O2 → CO2
Dalton (1766 – 1844): Atomhypthese
1) Elemente bestehen aus Atomen
2) unterschiedliche Elemente haben unterschiedliche Massen
3) Verbindungen chemischer Elemente erfolgen in kleinen ganzzahligen Proportionen
4) bei chemischen Reaktionen bleiben die Atome unverändert
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Thomson (1856 – 1940): Experimente mit Kathodenstrahlröhre Teilchen (Elektronen)
treten aus der Kathode aus > da sich alle Metalle gleich verhalten, müssen alle Metalle
Elektronen enthalten
Die Kathodenstrahlröhre
Die Kathodenstrahlen wurden 1859 von Julius Plücker entdeckt. Er versuchte
elektrischen Strom durch ein Vakuum zu leiten. Dabei legte er eine Hochspannung
zwischen zwei Elektroden an, welche sich in einer evakuierten Glasröhre befanden.
Er stellte fest, dass ein Strahl von der negativ geladenen Elektrode (Kathode)
ausging. Die austretenden Strahlen hatten eine negative Ladung, bewegten sich
geradlinig und verursachen ein Leuchten beim Auftreffen auf die Glaswand.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden viele Versuche nach diesem
Vorbild durchgeführt. Man deutete die von der Kathode ausgehende Strahlung als
schnell bewegte, negative Teilchenströme. Für diese Teilchen setzte sich der Name
Elektron durch welcher von Johnstones Stoney vorgeschlagen wurde.
Unabhängig von der Zusammensetzung der Kathode werden immer Elektronen
gleicher Art abgestrahlt.
Baut man nun in die Kathodenstrahlröhre zwei
Platten ein, an denen eine elektrische Spannung
anliegt, so wird der zwischen den Platten den
Platten hindurch laufende Elektronenstrahl in
Richtung positive Ladung abgelenkt.
Dabei ist die Ablenkung von zwei Faktoren
abhängig:
1. Je höher die Ladung q der Teilchen, desto
größer ist die Ablenkung.
2. Je größer die Masse m der Teilchen, desto
geringer ist die Ablenkung; die
Masse ist
somit proportional zu 1/m.
Eine vergleichbare Beobachtung macht man in
einem magnetischen Feld. Jedoch ist die
Ablenkung in einem magnetischen Feld senkrecht zu diesem. Durch Messung der
Ablenkung von Kathodenstrahlen in einem elektrischen Feld bestimmte Joseph
Thomson 1897 den Wert q/m für das Elektron: q/m (Elektron) = -1,7588 · 108 C/g.
Eine praktische Anwendung der Entdeckung Plückers ist der Fernsehapparat,
dessen bedeutendster Bestandteil die Kathodenstrahlröhre ist, durch die ein aus
kleinen Elementen bestehendes Bild auf die Mattscheibe geworfen wird.
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Dabei ist die Ablenkung des Elektronenstrahls abhängig von:
1) der Stärke des elektromagnetischen Feldes
Ladungs-Masse-Verhältnis:
2) Ladung des Elektrons
Ladung l
3) Masse des Elektrons
8 C
=
=
1
,
758819
⋅
10
Millikan (1868 – 1953):
Masse m
g
Bestimmte die Masse des Elektrons mit seinem
Öltröpfchen-Experiment:
m = 9,109390 · 10-28g
Das Öltröpchen-Experimen (nach Millikan)
Mellikan führte 1909 die erste genaue
Messung der Ladung eines Elektrons
durch. Dazu erzeugte er Elektronen
durch das Einwirken von
Röntgenstrahlen auf Luft. Kleine
Öltröpfchen nehmen die freiwerdenden
Elektronen auf. Anschließend sinken die
Öltropfen zwischen zwei waagerecht
angeordneten Platten. Anhand der
Sinkgeschwindigkeit kann die Masse der
Tropfen bestimmt werden. Die beiden
Platten sind elektrisch geladen, wobei die positiv geladene Platte über der negativ
geladenen Platte positioniert ist. Die angeschlossene Spannung wird so gewählt,
dass die Tropfen in der Schwebe gehalten werden. Nun lässt sich aus der
anliegenden Spannung und der bestimmten Masse eines Öltropfens die Ladung des
Tropfens berechnen.
Jedes Öltröpfchen kann mehrere Elektronen aufnehmen, somit ist in allen Fällen die
Ladung ein ganzes Vielfaches der Ladung des Elektrons.
Der Wert e wird als Elementarladung bezeichnet. Das Elektron ist negativ geladen
und seine Masse kann aus den Werten e/m und e berechnet werden.
Ladung des Elektrons:
q = -e = 1,6022 · 10-19C
Masse des Elektrons:
m = 9,1094 · 10-28g
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