Text 1 Expertengruppe C: Die Atomhülle - Poenitz-net

Text 1 Expertengruppe C: Die Atomhülle
Aus den Streuversuchen von Ernest Rutherford weiß man, dass die Atome aus einem Kern und einer Hülle bestehen. Der
Kern ist extrem klein und positiv geladen. In ihm konzentriert sich nahezu die gesamte Masse des Atoms in Form von
Neutronen und den positiv geladenen Protonen. Die Zusammensetzung des Kerns ergab sich aus den Untersuchungen der
Radioaktivität, die beim Zerfall großer Atomkerne freigesetzt wird.
Die Atomhülle muss die gesamte negative Ladung enthalten, die das Atom
zum Ausgleich der positiven Kernladung benötigt. Die Träger dieser
negativen Ladungen sind außerdem sehr leicht und lassen sich schon durch
bloße Reibung vom Atom lösen. Da dies besonders gut mit Bernstein (und
Katzenfell) funktioniert, nennt man diese Teilchen Elektronen nach dem
griechischen Namen für Bernstein.
Diese Farben angeregter Atome in Flammen oder Gasentladungsröhren
(ähnlich den heutigen Leuchtstoffröhren) waren gegen Ende des 19.
Jahrhunderts bereits sehr genau untersucht worden. Jedes Atom hat eine
typische Flammenfarbe. Mit einem Prisma kann man diese Farben in
einzelne Komponenten zerlegen und erhält für jedes Atom ein typisches
Spektrum von Einzelfarben ähnlich einem Fingerabdruck.
Man hatte sogar eine Formel aufgestellt, mit der sich die Farben bzw.
Energiestufen des ausgesandten Lichtes sehr genau vorhersagen ließen. Aber
niemand konnte erklären, warum diese Rydberg-Formel funktionierte. Dem
jungen dänischen Physiker Niels Bohr gelang diese Erklärung im Jahr 1913
durch die Kombination der Atommodelle von Ernest Rutherford (in dessen
Arbeitsgruppe an der Universität Manchester er zuvor einige Zeit gearbeitet
hatte) mit der Quantentheorie von Max Planck in Berlin. Im gleichen Jahr
gewann er die dänische Fußballmeisterschaft im Tor seines Clubs AB
Gladsaxe. Den Nobelpreis erhielt Nils Bohr dann im Jahre 1922.
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4.
Die Elektronen bewegen sich auf festen Schalen um den Kern.
Jede Schale entspricht einer bestimmten Energie.
Die Energie der Schalen nimmt nach außen hin zu.
Die n-te Schale von innen kann genau 2n2 Elektronen aufnehmen.
Für die Kontaktfreudigkeit und Bindungsfähigkeit eines Atoms (kurz: für sein chemische Verhalten) sind die Elektronen in der
äußersten Schale entscheidend. Atome mit gleich vielen Außenelektronen verhalten sich chemisch ähnlich und werden im
oben teilweise abgebildeten Periodensystem untereinander angeordnet. Am auffälligsten ist diese Verwandschaft bei den
Edelgasen ganz rechts. Sie haben eine vollständig besetzte Außenschale, die offenbar besonders stabil ist, denn Sie gehen so
gut wie keine Verbindungen mit anderen Atomen ein. Alle anderen Atome versuchen durch Aufnahme oder Abgabe von
Elektronen diese besonders stabile Achterschale zu erreichen. Mit dieser Edelgas- oder Oktettregel lassen sich fast alle
chemischen Reaktionen erklären.
Für größere Atome musste das Bohr-Modell bald um zusätzliche Energiestufen erweitert werden und die Schalen haben sich
sich eher als wolkige Aufenthaltsbereiche (Orbitale) mit verschiedensten Formen und Größen erwiesen, aber für große Teile
der Chemie ist das Bohr-Modell des Atoms nach wie vor eine völlig ausreichende Erklärungsgrundlage.
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Text 2 Expertengruppe C: Linienspektren
Die spektrale Zerlegung und das Wellenmodell des Lichtes
Die Zerlegung des Lichtes in seine einzelnen Farben durch ein Prisma oder ein Gitter lässt sich mit dem Wellenmodell
erklären: Man beschreibt Licht als elektromagnetische Welle ähnlich wie Radiowellen oder Röntgenstrahlen. Die Energie
einer elektromagnetischen Welle nimmt mit sinkender Wellenlänge zu. Aus diesem Grund ist elektromagnetische Strahlung
umso gefährlicher, je kürzerwellig die Strahlung ist!
Radiowellen < Infrarot (IR) < rot < gelb < grün< blau < violett < Ultraviolett (UV) < Röntgenstrahlen <  - Strahlen
langwellig
energiearm
kurzwellig
energiereich
Die Linienspektren der Elemente
Durchführung:
Der Dampf reiner Elemente wird in einem Glaskolben
erhitzt. Das dabei entstehende Licht wird durch ein
Prisma in seine einzelnen Farben bzw. Wellenlängen
zerlegt und auf einem dunklen Schirm sichtbar gemacht.
Je kürzer die Wellenlänge, desto stärker ist die
Ablenkung.
Beobachtung:
Der Dampf sendet Licht ganz bestimmter Wellenlänge
(bzw. Energie bzw. Farbe) aus, wenn man ihm
genügend Energie in Form von Hitze zuführt. Die
spektrale Zerlegung des ausgesendeten Lichtes durch
das Prisma ergibt ein für jedes Element
charakteristisches Linienspektrum. Das einfachste
Linienspektrum erhält man vom Wasserstoff.
Erklärung:
Durch Energiezufuhr (Funken oder Hitze) wird ein
Elektron auf eine höher liegende Schale angehoben.
Beim Zurückfallen sendet es Licht aus, dessen Energie
(bzw. Farbe bzw. Wellenlänge) gerade der
Energiedifferenz der beiden Schalen entspricht.
Da die Elektronen auch mehrere Schalen überspringen
können, gibt es verschiedene Übergangsmöglichkeiten,
die jeweils einer Linie im Spektrum entsprechen.
Zufuhr von Energie
in Form von Wärme
Linienspektrum
Energie (Farbe)
Abgabe von Energie
in Form von Licht
Energie
n = ∞ (Kontinuumsgrenze)
n = 4 (N-Schale)
n = 3 (M-Schale)
n = 2 (L-Schale)
n = 1 (K-Schale)
K-Schale
L-Schale
K-Schale
L-Schale
Kern
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Text 3 Expertengruppe C: Ionisierungsenergien
Ionisierungsenergien
Energie
Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die notwendig
ist, um ein Elektron von der äußersten Schale aus ganz
aus
der
Atomhülle
zu
entfernen.
Die
Ionisierungsenergie ist also gerade der energetische
Abstand der äußersten besetzten Schale zur
Kontinuumsgrenze, z.B. beim Na:
Ionisierungsenergie
n = ∞ (Kontinuumsgrenze)
n = 4 (N-Schale)
n = 3 (M-Schale)
n = 2 (L-Schale)
n = 1 (K-Schale)
Kern
Verlauf der Ionisierungsenergie und Grenzen des Bohrschen Modells
Ionisierungsenergien in kJ/mol
Erklärung mit dem Schalenmodell
Anstieg H-He:
wachsende
Kernladung,
höhere
Anziehung
Abfall He-Li: neue Schale, die weiter vom Kern
entfernt
ist;
Abschirmung der
Kernladung durch die darunter
liegende K-Schale
Anstieg Li-Ne: wachsende Kernladung
Abfall Ne-Na: neue Schale
Anstieg Na-Ar: wachsende Kernladung
Abfall Ar-K:
neue Schale ?!
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Arbeitsblatt Expertengruppe C: Der Aufbau der Atomhülle
Aufgabe 1
Reibe den aufgeblasenen Luftballon mit einem Wolllappen oder einem trockenen Kleidungsstück ab und bringe ihn in die
Nähe von kleinen Papierschnipseln, Styroporteilchen oder auch deinen Haaren, sofern sie lang, dünn und trocken sind.
Durch die Reibung werden negativ geladene Elektronen von dem Stoff abgerissen und auf den Ballon übertragen. Der negativ
geladene Ballon drängt die Elektronen im Papierschnipsel von sich weg und zieht die näher liegenden positiv geladenen
Atomkerne an sich. Die Anziehung der näher liegenden positiven Atomkerne ist stärker als die Abstoßung der weiter
entfernten Elektronen: Der Papierschnipsel wird daher angezogen.
In welchem Bereich eines Atoms vermutest du die Elektronen, wenn sie sich so leicht verschieben und entfernen lassen? Eher
innen oder eher außen?
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Aufgabe 2
Lies den Text 1 zur Atomhülle und beantworte die folgenden Fragen:
a) Aus welchen Teilchen besteht die Atomhülle und wie sind diese Teilchen angeordnet?
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b) Skizziere den Aufbau der Hülle eines Kaliumatoms mit 19 Elektronen in
das rechts stehende Kästchen:
c) Was besagt die Oktettregel?
___________________________________________________________
___________________________________________________________
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Aufgabe 3
a) Zeichne jeweils ein Schalenmodell der folgenden Atome:
Neon (10 Elektronen)
Silicium (14 Elektronen)
Bor (5 Elektronen)
b) Vervollständige die Tabelle auf der Rückseite:
4
Name
Wasserstoff
Natrium
Sauerstoff
Schwefel
Stickstoff
Argon
Calcium
Gesamtzahl der
Elektronen
1
11
8
16
Elektronen im
1. Niveau
Elektronen im
2. Niveau
Elektronen im
3. Niveau
Elektronen im
4. Niveau
5
0
8
0
0
2
Aufgabe 4
a) Lies den Text 2 zu den Linienspektren und färbe die
sichtbaren Bereiche des Spektrums auf S. 2 in der
ersten Abbildung in den angegebenen Farben.
b) Färbe nun auch die einzelnen Strahlen hinter dem
Prisma in der zweiten Abbildung auf S. 2 passend
ein. Beachte: Je kürzer die Wellenlänge, desto
stärker die Ablenkung.
c) Färbe die vier Übergänge auf der Abbildung rechts
unten auf S. 2 in den Farben gelb, rot, grün und blau
in der passenden Reihenfolge.
d) Zeichne in das nebenstehende Schema die
Elektronenkonfiguration für das Element Lithium
3Li und drei beliebige Übergänge ein. Nehmen wir
an, dass diese Übergänge die Farben Rot, Orange
und Gelb erzeugen. Ordne diese Farben deinen
Übergängen zu und färbe sie entsprechend ein.
Energie (Farbe)
Energie
n = ∞ (Kontinuumsgrenze)
n = 4 (N-Schale)
n = 3 (M-Schale)
n = 2 (L-Schale)
n = 1 (K-Schale)
Kern
Aufgabe 5
Lies den Text 3 zu den Ionisierungsenergien und beantworte die folgenden Fragen:
a) Was versteht man unter der Ionisierungsenergie?
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b) Warum hat Helium 2He eine viel größere Ionisierungsenergie als Wassersoff 1H?
______________________________________________________________________________________________________
c) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 2He zu Lithium 3Li stark ab?
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d) Warum nimmt die Ionisierungsenergie von 3Li zu Neon 10Ne wieder allmählich zu?
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e) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 10Ne zu Natrium 11Na plötzlich ab?
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f) Warum nimmt die Ionisierungsenergie von 10Na zu Neon 18Ar wieder langsam zu?
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g) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 18Ar zu Kalium 19K plötzlich ab?
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h) Wie könnte man sich die kleinen Sprünge z.B. von Beryllium 4Be nach Bor 5B erklären?
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Lösungen zum Arbeitsblatt Expertengruppe C: Der Aufbau der Atomhülle
Aufgabe 1
Reibe den aufgeblasenen Luftballon mit einem Wolllappen oder einem trockenen Kleidungsstück ab und bringe ihn in die
Nähe von kleinen Papierschnipseln, Styroporteilchen oder auch deinen Haaren, sofern sie lang, dünn und trocken sind.
Durch die Reibung werden negativ geladene Elektronen von dem Stoff abgerissen und auf den Ballon übertragen. Der negativ
geladene Ballon drängt die Elektronen im Papierschnipsel von sich weg und zieht die näher liegenden positiv geladenen
Atomkerne an sich. Die Anziehung der näher liegenden positiven Atomkerne ist stärker als die Abstoßung der weiter
entfernten Elektronen: Der Papierschnipsel wird daher angezogen.
In welchem Bereich eines Atoms vermutest du die Elektronen, wenn sie sich so leicht verschieben und entfernen lassen? Eher
innen oder eher außen?
Eher außen
Aufgabe 2
Lies den Text 1 zur Atomhülle und beantworte die folgenden Fragen:
a) Aus welchen Teilchen besteht die Atomhülle und wie sind diese Teilchen angeordnet?
Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die auf Stufen (oder Schalen) mit von innen nach außen
wachsender Energie und immer kleinerem Abstand angeordnet sind. Die n-te Stufe von innen kann 2n2
Elektronen aufnehmen.
b) Skizziere den Aufbau der Hülle eines Kaliumatoms mit 19 Elektronen in
das rechts stehende Kästchen:
c) Was besagt die Oktettregel?
Die Edelgase mit einer achtfach bzw. bei Helium zweifach
besetzten Außenschale sind besonders stabil und gehen kaum
Verbindungen mit anderen Atomen ein. Die anderen Atome
versuchen durch Aufnahme oder Abgabe ebenfalls diese
Edelgaskonfiguration zu erreichen.
K
L
M
Aufgabe 3
a) Zeichne jeweils ein Schalenmodell der folgenden Atome:
Neon (10 Elektronen)
Silicium (14 Elektronen)
K
K
K
L
Bor (5 Elektronen)
L
M
L
b) Vervollständige die Tabelle:
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Name
Wasserstoff
Natrium
Sauerstoff
Schwefel
Stickstoff
Argon
Calcium
Gesamtzahl der
Elektronen
1
11
8
16
14
18
20
Elektronen im
1. Niveau
1
2
2
2
2
2
2
Aufgabe 4
a) Lies den Text 2 zu den Linienspektren und färbe die
sichtbaren Bereiche des Spektrums auf S. 2 in der
ersten Abbildung in den angegebenen Farben.
b) Färbe nun auch die einzelnen Strahlen hinter dem
Prisma in der zweiten Abbildung auf S. 2 passend
ein. Beachte: Je kürzer die Wellenlänge, desto
stärker die Ablenkung.
c) Färbe die vier Übergänge auf der Abbildung rechts
unten auf S. 2 in den Farben gelb, rot, grün und blau
in der passenden Reihenfolge.
d) Zeichne in das nebenstehende Schema die
Elektronenkonfiguration für das Element Lithium
3Li und drei beliebige Übergänge ein. Nehmen wir
an, dass diese Übergänge die Farben Rot, Orange
und Gelb erzeugen. Ordne diese Farben deinen
Übergängen zu und färbe sie entsprechend ein.
Elektronen im
2. Niveau
0
8
6
8
8
8
8
Elektronen im
3. Niveau
0
1
0
6
5
8
8
Elektronen im
4. Niveau
0
0
0
0
0
0
2
Rot Orange Gelb
Energie (Farbe)
Energie
n = ∞ (Kontinuumsgrenze)
n = 4 (N-Schale)
n = 3 (M-Schale)
n = 2 (L-Schale)
n = 1 (K-Schale)
Kern
Aufgabe 5
Lies den Text 3 zu den Ionisierungsenergien und beantworte die folgenden Fragen:
a) Was versteht man unter der Ionisierungsenergie?
Die Energie, die erforderlich ist, um das äußerste Elektron ganz aus dem Atom zu entfernen
b) Warum hat Helium 2He eine viel größere Ionisierungsenergie als Wassersoff 1H?
Wegen der doppelt so großen Ladung bzw. Anziehung des Kerns
c) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 2He zu Lithium 3Li stark ab?
Wegen des Übergangs auf eine größere und weiter vom Kern entfernte Schale
d) Warum nimmt die Ionisierungsenergie von 3Li zu Neon 10Ne wieder allmählich zu?
Wegen der Zunahme der Kernladung bzw. Anziehung des Kerns bei gleicher Schale
e) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 10Ne zu Natrium 11Na plötzlich ab?
Wegen des Übergangs auf eine größere und weiter vom Kern entfernte Schale
f) Warum nimmt die Ionisierungsenergie von 10Na zu Neon 18Ar wieder langsam zu?
Wegen der Zunahme der Kernladung bzw. Anziehung des Kerns bei gleicher Schale
g) Warum fällt die Ionisierungsenergie von 18Ar zu Kalium 19K plötzlich ab?
Offenbar sitzt das 19. Elektron auf einer neuen Schale, obwohl die M-Schale noch nicht voll ist!
h) Wie könnte man sich die kleinen Sprünge z.B. von Beryllium 4Be nach Bor 5B erklären?
Offenbar gibt es innerhalb der Schalen weitere Unterstufen
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