Atommodelle und Periodensystem

 Jakob
Atommodelle und Periodensystem
1 Kern-Hülle-Modell (Rutherford)
a) Streuversuch
V
D:
α-Strahlenquelle
dünne Goldfolie aus nur einer
Schicht Atome
Film
B:
F:
c Es werden nur wenige Teilchen der α-Strahlen von einer dünnen
Goldfolie abgelenkt.
d Die Ablenkung ist bei diesen wenigen Teilchen sehr stark.
c Der Atomkern ist sehr klein (nur ca. 1/100 000 des Atomradius).
d Der Atomkern besitzt (fast) die gesamte Masse des Atoms.
Vergrößerung:
d
Kern
eines
Goldatoms
Hülle
c
Bereich
Kern
Hülle
darin vorkommende
Elementarteilchen
Protonen
Neutronen
Elektronen
Abkürzung Ladung des
Elementarteilchens
+
p
+1
n
0
e-1
Masse des
Elementarteilchens
1
1
0
Atome sind nach außen elektrisch neutral.
Sie besitzen daher die gleiche Anzahl von Protonen im Kern und Elektronen in der
Hülle (Protonenzahl = Gesamtelektronenzahl).
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b) Probleme
• Die Elektronen müssten in den Kern stürzen.
• Beim Erhitzen müsste ein kontinuierliches Spektrum abgegeben werden:
Prisma
weißes Licht
alle Wellenlängen
⇐
kontinuierliches
Spektrum
2 Schalenmodell (Bohr)
a) Linienspektrum
V
Prisma
D:
rotes Licht
Li
nur eine Wellenlänge
B:
F:
Linienspektrum
⇐
Linienspektrum statt kontinuierlichem Spektrum
Nur eine Linie ist sichtbar im roten Bereich
c
d
c Die Elektronen bewegen sich nur in bestimmten Abständen zum Kern
d
auf Kreisbahnen. Jede dieser Schalen entspricht einem
Hauptenergieniveau: K, L, M, ... . Je größer die Schale, desto höher
die Energie des Elektrons.
Ein Elektron der äußersten Schale (= Valenzelektron) wird angeregt
und wird auf die vorher unbesetzte nächsthöhere Schale geschossen.
Beim Rückfall gibt es Licht von genau der Energie ab, die der
Energie-Differenz der beiden Schalen entspricht.
Nur die Energie eines Elektronenübergangs liegt hier im sichtbaren
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Bereich. Die Elektronen der äußersten Schale (= Valenzelektronen)
bestimmen die chemischen Eigenschaften.
Schalenmodell des Lithium-Atoms:
nächsthöhere,
unbesetzte M-Schale
E
Anregung
Valenzschale,
äußerste = energetisch
höchste besetzte L-Schale
Protonenzahl + Neutronenzahl
Protonenzahl
Elementsymbol
7
3
Li
b) Probleme:
• Erklärt nicht die maximale Elektronenbesetzung.
• Erklärt nicht die Feinaufspaltung des Linienspektrums.
3 Orbitalmodell
a) Feinaufspaltung des Linienspektrums
V
M
D:
Vergrößerung + Feinaufspaltung...
p
s
L
p
s
... in Unterenergieniveaus =
Orbitale
 Jakob
B:
F:
c Serien von Spektrallinien
c Die Schalen (= Hauptenergieniveaus) sind in Unterschalen (= Orbitale)
unterteilt. Diese ergeben sich aus den Kombinationsmöglichkeiten
bestimmter Quantenzahlen.
Die maximale Elektronenbesetzung einer Schale ist 2n2.
In der 2. Periode können maximal 8 Valenzelektronen auftreten.
b) zusätzliche Informationen für die Kollegstufe
• Die Hauptquantenzahl n bestimmt die Größe eines Orbitals (entsprechend einem
bestimmten Energiegehalt). n = 1, 2, 3, ...
• Die Nebenquantenzahl l bestimmt die Form eines Orbitals. Wichtig sind in der
organischen Chemie das kugelförmige s-Orbital und das hantelförmige p-Orbital.
l = 0, 1, ... (n-1)
• Die magnetische Quantenzahl ml bestimmt die Anzahl und die räumliche
Orientierung der Orbitale eines Typs. ml = -l, ..., 0, ..., +l
• Die Spinquantenzahl s gibt die Ausrichtung des Elektrons in einem Orbital an.
Es gibt zwei mögliche Werte: s = +1/2, -1/2
Hundsche Regel:
Pauli-Verbot:
Energiegleiche Orbitale werden zunächst einfach mit Elektronen
besetzt.
In einem Orbital können sich maximal zwei Elektronen aufhalten.
Orbitale sind Orte, an denen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons sehr
hoch ist.
4 Periodensystem der Elemente (PSE)
a) Aufbau
• Alle Atome mit der gleichen Protonenzahl gehören zum gleichen Element.
• Die Elemente werden nach steigender Protonenzahl angeordnet.
z.B. 1H, 2He
• Die Eigenschaften der Elemente wiederholen sich in periodischen Abständen.
b) Ionisierungsenergie, Elektronenaffinität und Elektronegativität
• Alle diese Energien werden v.a. vom Atomradius bestimmt.
• Die Definitionen der Ionisierungsenergie und der Elektronegativität beziehen sich
auf einzelne Atome. Von den zwei Definitionen der Elektronegativität bezieht sich
die erste auf einzelne Atome, sie erlaubt eine Vorhersage aufgrund des
Atomradius. Die zweite Definition bezieht sich auf Nichtmetallatome in
Verbindungen, sie erlaubt eine Vorhersage von auftretenden Bindungspolaritäten.
In der Schule wird meist die zweite Definition der Elektronegativität gefragt!
 Jakob
E
Metallatom:
Nichtmetallatom:
Ionisierungsgrenze
(vereinfachend bei
beiden Atomen gleich
dargestellt)
Ionisierungsenergie (Ia)
= Energie, die zugeführt werden muss,
um ein Valenzelektron aus der
Valenzschale zu entfernen.
einzelnes Metall- oder Nichtmetallatom:
Elektronenaffinität (Ea)
= Energie, die frei wird, wenn ein Elektron
der Valenzschale eines Atoms
hinzugefügt wird.
zwei Nichtmetallatome:
E
Elektronegativität (EN)
EN = ½ (Betrag der Ia + Betrag der Ea)
Elektronegativität (EN)
= Bestreben eines Atoms,
Bindungselektronenpaare anzuziehen.
c) Hauptgruppen („Spalten“)
• Die Hauptgruppennummer gibt die Zahl der Valenzelektronen an.
• In einer Hauptgruppe wird von oben nach unten jeweils eine neue Schale besetzt.
In einer Hauptgruppe nimmt der Atomradius von oben nach unten zu.
 Jakob
c) Perioden („Zeilen“)
• Die Periode gibt die Valenzschale an.
• In einer Periode nimmt von links nach rechts die Protonenzahl zu.
In einer Periode nimmt der Atomradius von links nach rechts ab.
Hauptgruppe
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
1
K
2
Periode / Schale
L
3
M
4
N
5
O
6
P
7
Q
e) Metalle und Nichtmetalle
• Je größer der Atomradius, desto kleiner ist die Ionisierungsenergie.
Metalle geben Elektronen ab.
• Je kleiner der Atomradius, desto größer ist die Elektronenaffinität.
Nichtmetalle nehmen Elektronen auf oder gehen Elektronenpaarbindungen ein.
 Jakob
Hauptgruppe
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
1
K
2
Periode / Schale
L
3
M
4
N
5
O
6
P
7
Q
f) Übersicht zu den Bindungstypen
Beteiligte Elemente
Bindungstyp
Typische Stoffeigenschaft
Metall-Metall
Metallbindung
silbriger Feststoff
Metall-Nichtmetall
Ionenbindung
Weißer Feststoff
Nichtmetall-Nichtmetall
Elektronenpaarbindung farbloses Gas,
farblose Flüssigkeit oder weißer
Feststoff
Die Edelgase (VIII. Hauptgruppe) sind nicht berücksichtigt, da sie normalerweise
keine Verbindungen eingehen.