40 - Martin Köckerling

Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde:
Atomistischer Aufbau der Materie, historische Entwicklung des Atombegriffes
Atome
Thema heute: Aufbau der Materie,
Atommodelle Teil 2
Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling
25
Atommodelle
1. Dalton:
Atome sind kleine, kugelförmige, gefüllte, elastische Gebilde
erklärt: Masse „Gesetz der konstanten und multiplen
Proportionen“, Aggregatzustand
erklärt nicht: Elektronen, Protonen, Radioaktivität, Farbe,
Spektren, Erscheinungen der Elektrolyse
2. Thomson:
Feststellung: Es existieren negativ geladenen Elektronen
⇒ Atome sind kleine Kugeln, die mit Masse mit positiver
Ladung gefüllt sind: darin sind Elektronen auf festen Plätzen
eingebettet („Rosinenbrötchen“).
3. Rutherford:
Physiker Lenard (1862 – 1947)
⇒ Kathodenstrahlen
H. Hertz (1857 – 1894)
E. Rutherford (1871 – 1937)
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Der Rutherford-Versuch
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Rutherford:
⇒ Die gesamte positive Atomladung + fast die gesamte Masse sind auf einen
Bereich von ca. 10-14 – 10-15 m im Mittelpunkt eines jeden Atoms konzentriert
(Atomkern, Atomkerndurchmesser).
⇒ Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen um den Atomkern herum.
1
(Radius ca. 10-10 m, Atomdurchmesser, Durchmesser des Atomkerns ist ca. 10000
des gesamten Atoms)
In den Atomen ist daher viel Leerraum;
Größenvergleich: Stecknadelkopf, 3 mm Ø als Atomkern  Atomdurchmesser
30 Meter
Schwächen des Modells: Bewegte Elektronen erzeugen ein veränderliches
Magnetfeld / elektrisches Feld ⇒ Abstrahlung von Energie ⇒ Elektronen
würden in den Kern stürzen (in ca. 10-6 Sekunden)!
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Zwischen positiven und negativen Ladungen, elektrisch geladenen Teilchen oder
Körpern wirken elektrostatische Kräfte. Gleichgeladene Teilchen stoßen sich ab;
entgegengesetzt geladene Teilchen ziehen sich an.
Die Kraft, die zwischen einzelnen Ladungen wirkt, die elektrostatische Kraft F,
lässt sich mit dem Coulomb-Gesetz berechnen.
Ladung 1 Coulomb (Elektrizitätsmenge)
1 Coulomb = Elektrizitätsmenge, die während der Zeit 1 s bei einem zeitlich
gleichen elektrischen Strom der Stärke 1 A durch einen elektrischen Leiter fließt.
C=A*s
Q1 ⋅ Q2
⋅
Fc =
4πε o
r2
1
Fc = Coulomb-Kraft
εo = elektrische Feldkonstante, 8,854 ⋅ 10
Q1, Q2 = Ladungen;
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−12
A2 ⋅ s 4
m 3 ⋅ kg
r = Ladungsabstand
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Rutherford'sches Atommodell:
Elektronen fliegen um den Atomkern
Es existiert viel Platz und ein positiv geladener
Atomkern
Elementarteilchen (Grundbausteine der
Materie)
für Chemie:
Elektron
Neutron
Proton
m
(e⊝)
e–
no
p+
Masse ~ 1u (unit)
Name : Nukleonen
1
≈
m (p⊕)
2000
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Der Atomaufbau
Ladung eines Teilchens: Anzahl
Protonen – Anzahl Elektronen;
Beispiel: Atom mit 6 Protonen:
Kernladungszahl = 6
+ 6 Neutronen ⇒ Nukleonenzahl = 12
(Massenzahl)
Zahl der Elektronen = Zahl der
Protonen = 6
Symbole für die einzelnen Atomsorten
p⊕ = 6
Symbol C
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Element Kohlenstoff,
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Unterschiedliche „Nuklide“ sind möglich, wenn bei gleicher Ordnungszahl
(gleiches Element!) eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen vorhanden ist.
Massenzahl
12 C
6
Kohlenstoff-12
Symbol
Ordnungszahl
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Nukleonenzahl
Elementsymbol
Protonenzahl
Anzahl Neutronen: Nukleonenzahl – Protonenzahl
1H
1
Wasserstoff
2H
1
Deuterium
3
1
H
Tritium (radioaktiv)
Isotope: Nuklide (Atomkerne) mit gleicher Protonenzahl (= Elemente) aber
verschiedener Neutronenzahl (und damit unterschiedlicher Nukleonenzahl).
Insgesamt existieren ca. 340 natürlich vorkommende Nuklide, 270 sind stabil, 70
radioaktiv. Es existieren 92 natürlich vorkommende Elemente
Die meisten Elemente sind Mischelemente
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Teilchen
Symbol
Masse
Ladung
Neutron
n
1 u; 1,67 10-27 kg
neutral
Proton
p+
1 u; 1,67 10-27 kg
+1,6 10-19 C
Elektron
e-
0,00055 u;
0,91 10-30 kg
-1,6 10-19 C
1
Die atomare Masseneinheit u ist definiert als
der Masse eines Atoms des
12
Kohlenstoffnuklids 12C
12 C ⇒ 12 u
1 u = 1,6606 · 10-27 kg
6
1 cm3 Materie ~ 1023 Atome
Protonenzahl = Kernladungszahl
Protonenzahl = Elektronenzahl
Nukleonenzahl =Protonenzahl + Neutronenzahl
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118 bekannte Elemente:
lückenlose Folge der
Protonenzahl 1 bis 118.
(= Ordnungszahl)
Mischelemente: Mischungen aus
verschiedenen Isotopen
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Schematische Skizze eines Massenspektrometers
Experimenteller Nachweis von
Isotopen:
Massenspektroskopie: Isotope
unterscheiden sich in der Anzahl der
Neutronen und damit in der Masse.
Gasteilchen – Ionisation:
Ablenkung durch ein elektrisches und
ein magnetisches Feld.
Ablenkung ist abhängig von dem
Quotienten aus Ladung und Masse
Trennung nach Masse
Genauigkeit ~ 10-6 u
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Schematische Skizze eines Massenspektrometers
Experimenteller Nachweis von
Isotopen:
Massenspektroskopie: Isotope
unterscheiden sich in der Anzahl der
Neutronen und damit in der Masse.
Gasteilchen – Ionisation:
Ablenkung durch ein elektrisches und
ein magnetisches Feld.
Ablenkung ist abhängig von dem
Quotienten aus Ladung und Masse
Trennung nach Masse
Genauigkeit ~ 10-6 u
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Vergleich der Massen von Atomen mit der Summe der Massen der Protonen und
Neutronen:
4He = 4,0026 u
2 p⊕ + 2 n
4,0319 u
4He um 0,0293 u leichter!
„Die Masse eines Nuklids (bei Nukliden mit Ordnungszahlen kleiner der des
Eisens) ist kleiner als die Summe der Masse seiner Bausteine.“
E=m·
Einstein:
Masse-Energie-Äquivalenz
c2
c: Lichtgeschwindigkeit ~ 3 · 108 m/s
Gesetz von der Äquivalenz von Masse und Energie!
4,0026 g 4He
Massendifferenz 0,03 g
Kernbindungsenergie
E ~ 2,7 · 1012J (Tera-Joule)
chemische Reaktion: ~ 20 – 1000 kJ ~ 106 J
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40
2
1
D +13 T → 42 He +10 n
Kernfusion:
(Kernverschmelzungen) (Tritium)
1 kg He
+ 17,6 MeV
(1 eV = 1,6 · 10-19J)
200 Millionen kWh Energie!
Aber: Kernfusion funktioniert ab einer Temperatur von ca. 106 Kelvin!
Temperaturskala
Bewegungsenergie + Schwingungsenergie
bei T = 0 K (Kelvin) keine Bewegungs- und Schwingungsenergie der Teilchen
K = °C + 273,15
Bei Kernreaktionen wird Masse in Energie (und umgekehrt) umgewandelt; es
werden Atomkerne verändert. Dabei spielt die Elektronenhülle keine Rolle. Der
Energieumsatz ist ca. 106 mal größer als bei chemischen Reaktionen. Dabei treten
messbare Masseveränderungen auf.
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Kernfusion in Sternen
1.
Wasserstoffbrennen
2
1
D + T → He + n
3
1
4
2
1
0
Dauer je nach Sternenmasse 107 bis 1010 Jahre
Unsere Sonne: 7 ⋅ 1014 g Wasserstoff/s
4 ⋅ 1023 kJ, (7 ⋅ 108 t)
2. Heliumbrennen bei 108 K zu
12
16
20
6 C, 8 O, 10 Ne
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Element – Kernumwandlungen: Radioaktivität
Instabile Atomkerne wandeln sich unter Ausstoßung von Elementarteilchen oder
kleinen Kernbruchstücken in andere Nuklide um. Bei solchen Kernreaktionen werden
große Energiemengen freigesetzt.
1896
1898
1903
Becquerel:
Uranverbindungen senden „Strahlen“ aus.
Pierre u. Marie Curie: Radium entdeckt, aus Pechblende (Uranerz) isoliert.
Rutherford/Soddy:
Radioaktivität beruht auf Zerfall von Atomkernen
"natürliche Radioaktivität"
Aussendung von Strahlung
Strahlenaussendung lässt sich nicht durch äußere Einwirkung beeinflussen.
Radioaktive Präparate sind immer wärmer als Umgebung
3 unterschiedliche Arten von Strahlen
Strahlen wirken auf Umgebung ionisierend
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Radioaktivität - 3 Arten
radioaktiver Strahlung
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A
ZE
α-Strahlung: He2⊕
α-Zerfall
226
88 Ra
β-Strahlung: Elektronen
→
→
A
ZE
A-4
Z -2 E'
222
86 Rn
→
Das Elektron stammt aus dem
Atomkern; Zerfall eines Neutrons:
n
p⊕ + e⊝ + γ
4
2He
+
+
A
Z+1E'
4
2He
+
40
19 K
+ Energie
Gleichung für
Kernreaktionen
e⊝ + Energie
→
40
20 Ca
+
e⊝
γ-Strahlung: Abgabe hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung
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Die radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit
Radioaktive Zerfallsprozesse verlaufen 1) statistisch und 2) nach einem
exponentiellen Zerfallsgesetz
Nt = No ⋅ e −kt
K: Zerfallskonstante
Halbwertszeit
238
92 U :
214
84 Po :
t1/2 = 4,5 109 Jahre
t1/2 = 1,6 10-4 Sekunden
Altersbestimmung "biologischer"
Materialien:
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Altersbestimmungen
Altersbestimmung "biologischer” Materialien
14C-Methode (Libby 1947)
14
14
7
N + n → 6 C * + 11p
Bei konstanter Neutroneneinstrahlung (kosmische Strahlung) besteht ein
Gleichgewicht zwischen Bildung und Zerfall von 14C in der Atmosphäre. Die
Halbwertszeit von 14C beträgt 5730 Jahre.
Alter von Mineralien
Die größte Halbwertszeit einer Zerfallsreihe bestimmt die Geschwindigkeit des
Zerfalls.
238
9
92 U
t = 4,5 • 10 Jahre
1
2
238
Berechnung des Alters aus den Verhältnissen 206
Pb
/
82
92 U
andere Methoden:
87
87
38 Sr / 37
Rb
oder
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40
40
18 Ar / 19
bzw.
4
238
He
/
2
92 U
K
48
Nachweis/Messung radioaktiver (ionisierender) Strahlung
Ionisationskammer/Geiger-Müller-Zählrohr
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Szintillationszähler
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Natürliche, radioaktive Zerfallsreihen
1) Uran-Radium-Reihe (238U)
2) Thorium-Reihe
3) Uran-Actinium-Reihe (235U)
4) Neptunium-Reihe
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