5.23 Exkurs Atomhülle – Abspaltung von Elektronen
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5.23 Exkurs Atomhülle – Abspaltung von Elektronen 2 p+ 2 n + e– He+ + e– 2 p+ – e 2 n He B1 Abspaltung von Elektronen aus Heliumatomen. Es entstehen positiv geladene Heliumionen Die Bildung von Ionen aus Atomen. Schaltet man eine Leuchtstoffröhre ein, leitet die Gasfüllung den elektrischen Strom. Wenn das Gas aus Helium besteht, bewegen sich geladene Teilchen, die aus Heliumatomen entstanden sind. Durch Abspaltung von Elektronen werden positiv geladene Heliumatome gebildet. Atome, die als geladene Teilchen wirken, nennt man Ionen (von griech. ion, das Wandernde). Zur Kennzeichnung eines Ions verwendet man das Zeichen für das Atom und gibt zusätzlich die Ladung des Ions in Elementarladungen an, z. B. He+, He2+ [B1]. Die Abspaltung von Elektronen aus der Atomhülle wird Ionisierung genannt. Ionisierungsenergie. Die Energie, die gerade ausreicht, um ein Elektron aus einem Atom oder aus einem bereits vorliegenden Ion abzuspalten, bezeichnet man als Ionisierungsenergie. Damit die Energiebeträge für die Ionisierung verschiedener Atomarten vergleichbar sind, müssen die Angaben für jeweils gleiche Teilchenanzahlen erfolgen. Ionisierungsenergie in MJ/mol 2,4 2,1 1,8 1,5 1,2 0,9 0,6 0,3 Kernladungszahl 0 H He Li Be B C 1 2 3 4 5 6 N O 7 8 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 B2 Erste Ionisierungsenergien für die Atome mit Kernladungszahlen von 1 bis 20 198 Atombau und Periodensystem Ionisierungsenergien von Ionen. Die erforderliche Energie zur Abspaltung eines Elektrons aus einem einfach positiv geladenen Ion ist größer als die erste Ionisierungsenergie. Die Abspaltung eines weiteren Elektrons muss gegen die stärkere Anziehung des positiv geladenen Ions erfolgen. Für jedes weitere abzutrennende Elektron wird die Ionisierungsenergie jeweils größer. In [B3] sind die Ionisierungsenergien für alle Elektronen des Aluminium- und Schwefelatoms dargestellt. Auffällig ist ein jeweils zweimaliges sprunghaftes Ansteigen der Ionisierungsenergie bei den Ionen, die noch 10 bzw. 2 Elektronen besitzen (Al3+ und S6+ bzw. Al11+ und S14+). Diese Ergebnisse geben Hinweise auf ein gemeinsames Bauprinzip für die Elektronenhüllen aller Atome. Die Ionisierungsenergien eines Atoms geben Hinweise auf Energieunterschiede im Atom. Ist zur Abspaltung eines Elektrons ein hoher Energiebetrag erforderlich, so hat das Elektron im Atom eine niedrige Energie. Eine kleine Ionisierungsenergie bedeutet eine hohe Energie des Elektrons im Atom. a) Aluminiumatom 3. Energiestufe 2. Energiestufe b) Schwefelatom 1. Energiestufe 3. Energiestufe Ionenladung Anzahl der verbleibenden Elektronen 1. Energiestufe 2. Energiestufe 0 13 2+ 11 4+ 9 6+ 7 8+ 5 10+ 3 12+ 1 0 16 2+ 14 4+ 12 6+ 10 8+ 8 10+ 6 12+ 4 14+ 2 B3 Ionisierungsenergien für alle Elektronen des Aluminium- (a) und des Schwefelatoms (b) Energieänderung bei der Elektronenaufnahme von Schwefelionen. Die zugeführte Ionisierungsenergie wird wieder abgegeben, wenn ein Ion ein Elektron aufnimmt. Nimmt ein Atomkern nacheinander Elektronen auf, bis das ungeladene Atom vorliegt, werden von Elektron zu Elektron immer geringere Energiebeträge frei. Diese sind in [B4a] für die Entstehung des Schwefelatoms aus dem Atomkern durch schrittweise Aufnahme von Elektronen veranschaulicht. Diese Darstellung entspricht dem umgekehrten Vorgang der in [B3] gezeigten schrittweisen Abspaltung von Elektronen. Da bei der Aufnahme von Elektronen die entsprechenden Energiebeträge frei gesetzt werden, besitzt das jeweils entstehende Ion und am Ende das Atom eine geringere Energie. Daher sind die Energiebeträge „nach unten“ aufgetragen. Energiestufen in der Atomhülle. Die frei werdenden Energiebeträge bei der Elektronenaufnahme durch Schwefelionen [B4a] lassen auf einen großen Unterschied in der Energie der Elektronen im Atom schließen. Im Schwefelatom gibt es drei Gruppen von Elektronen, die sich drei sehr verschiedenen Energiezuständen zuordnen lassen [B4b]. Die Elektronen einer Gruppe, deren Energien im Atom gleich sind und sich von anderen deutlich unterscheiden, werden jeweils einer Energiestufe zugeordnet. < Energie Auch für Elektronen der gleichen Energiestufe ist die bei der Elektronenaufnahme frei werdende Energie für ein nachfolgend aufgenommenes Elektron geringer als für das vorausgegangene. Die Aufnahme jeweils eines weiteren Elektrons erfolgt durch ein Ion, dessen positive Ladung bei jeder Elektronenaufnahme und damit die Anziehungskraft weiter abnimmt. A1 Zeichne ein Diagramm für die schrittweise Ionisierung der Atomart Sauerstoff. Die aufzuwendende Energiebeträge (in MJ/mol) sind: 3,4; 5,3; 7,5; 11,0; 13,3; 71,3; 84,1. 1. Energiestufe 0 2. Energiestufe 3. Energiestufe 0 größtmögliche Energie eines Elektrons in der Hülle Energie eines Elektrons im Atom + e– Erste Ionisierungsenergien von Atomen. Ein Elektron wird vom Kern umso stärker angezogen, je größer dessen positive Ladung ist. Man müsste also erwarten, dass die Energie für die Abspaltung eines Elektrons mit steigender Kernladungszahl der Atome zunimmt. Durch die experimentell ermittelten Ionisierungsenergien wird diese Erwartung nur zum Teil bestätigt. In [B2] erkennt man, dass die Ionisierungsenergien bis zu den Edelgasatomen ansteigen und zu den darauf folgenden Alkalimetallatomen stark abfallen. Je weiter ein Elektron vom Kern entfernt ist, desto geringer ist der Energieaufwand, um dieses Elektron abzuspalten, da die Anziehung durch den Atomkern mit zunehmender Entfernung schwächer wird. Aus der im Vergleich zu den Edelgasatomen geringen Ionsierungsenergie der Alkalimetallatome folgt, dass ein Elektron dieser Atome im Mittel weiter vom Kern entfernt ist als bei Edelgasatomen. Ionisierungsenergie He2+ Durch Energiezufuhr lassen sich aus der Atomhülle Elektronen abspalten. Dabei ist es möglich, schrittweise Elektronen zu entfernen. Damit erhält man Informationen über den Aufbau der Atomhülle. frei werdende Energie e– + e– Ionisierungsenergie e– 2 p+ 2 n E xku rs A to m h ül l e – A b spal tun g v o n E lekt ronen 3. Energiestufe 2. Energiestufe 1. Energiestufe B4 Frei werdende Energie bei der Elektronenaufnahme durch Schwefelionen (a) und Energiestufen für die Elektronen des Schwefelatoms (b) Atombau und Periodensystem 199
