Übungsaufgaben zum Themenkomplex „Atombau“ und „PSE“

Übungsaufgaben zum Themenkomplex „Atombau“ und „PSE“
1) Der sehr dichte und kleine Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die
Atomhülle aus Elektronen. Aufgrund Ihres Wissens über die Anziehung und
Abstoßung geladener Teilchen: Welche zwei Paradoxa treten auf ? Wie können
diese aufgelöst werden ?
LÖSUNG:
1) die auf den Atomkern konzentrierten positiven Ladungen sollten sich elektrostatisch
abstoßen => Austausch von π-Mesonen als sehr starke attraktive Kraft.
2) Die negativ geladenen Elektronen sollten in den positiven Kern stürzen („UVKatastrophe“) => Bohr: Einführen von stabilen Bahnen, Quantenmechanik: Wellennatur
des Elektrons.
2) Das griechische Wort für Bernstein ist Elektron (Ελεκτρον). Warum wurde ein
Elementarteilchen nach diesem fossilen Harz benannt ?
LÖSUNG:
Beim Reiben des Bernsteins an einem Tuch fließen negative Ladungsträger
(=Elektronen) auf den Bernstein über (Reibungselektrizität). Dieser zieht darauf hin
beispielsweise Samenkügelchen an.
3) Welche(s) der drei Elementarteilchen, die Atome aufbauen, beeinflussen die
folgenden Eigenschaften eines Atoms
• Die Natur des Atoms (also, ob ein Atom z.B. Eisen oder Fluor ist)
Protonen
• Die Masse des Atoms
Protonen+Neutronen(+Elektronen)
• Die nach außen wirkende elektrische Ladung des Atoms
Protonen-Elektronen
• ob es radioaktiv ist oder nicht
Verhältnis Protonen/Neutronen
4) In nachfolgender Abbildung ist das rutherfordsche Experiment schematisch
zusammengefasst. Welcher der gestreuten α-Strahlen a-e ist am
aussagekräftigsteten bezüglich des Aufbaus der Atome ?
c: Das Atom ist großteils leer, so dass die meisten α-Teilchen ungehindert passieren
können, a und e: Die starke Reflexion der positiven Teilchen deutet darauf hin, dass
der Atomkern positiv ist und die positive Ladung auf einen engen Raum konzentriert
ist.
5) Betrachten Sie das Element 22086Rn. Welche der folgenden Aussagen sind
korrekt ?
• Das Teilchen hat 86 Protonen.
• Die Massezahl des Teilchens ist 86.
ja
nein
• Die Ordnungszahl des Teilchens
• Das Teilchen besitzt 220 Neutronen.
ist 220. nein
nein
besitzt
220
Nukleonen.
• Das Teilchen hat 86 Neutronen.
• Es
nein
ja
• Das Teilchen hat 86 Elektronen.
• Das Teilchen hat 134 Neutronen.
ja
ja
6) Als Mendelejev sein Periodensystem entwickelte, waren viele Elemente, unter
ihnen Germanium, noch unbekannt. Er erkannte jedoch, daß unterhalb des
Siliciums ein „Loch“ war, sagte voraus, daß das „Eka-Silicium“ schließlich
entdeckt werden würde und ging sogar so weit, daß er aufgrund der
Eigenschaften der Elemente überhalb und unterhalb dieses „Lochs“ die
Eigenschaften des Eka-Siliciums vorhersagte. Füllen Sie die Tabelle aus, indem
Sie die Eigenschaften des Siliciums und Zinns in die Tabelle eintragen, bilden
Sie die Mittelwerte und vergleichen Sie mit den physikalischen Eigenschaften
des Germaniums (Die Werte können Sie aus einem Periodensystem oder einem
Lehrbuch entnehmen).
Silicium Zinn Mittelwert von Si und Germanium
Si
Sn
Sn (“Eka-Sililcium“)
Ge
atomare Masse [g/mol] 28.0855 118.69
73.38
72.59
Dichte [g/cm³]
2.328
7.285
4.807
5.329
spezifische
10-6
9.1x104
0.45x10-3
2x10-2
Leitfähigkeit [Scm-1]
Schmelzpunkt [°C]
1410
231.91
820
947.4
Siedepunkt [°C]
2477
2687
2582
2830
7) Die folgende Tabelle enthält die relativen Atommassen einiger Elemente, wie
sie im Periodensystem zu finden sind.
Element
relative Atommasse
Kohlenstoff
12.011
Wasserstoff
1.008
Chlor
35.453
Beryllium
9.01218
Fluor
18.998403
Arsen
74.9216
a) Erklären Sie, warum die Atommasse von Kohlenstoff in dieser Tabelle nicht
exakt bei 12.000 liegt !
Isotopengemisch: Einfluß von 13C (ca. 1.1 %) und zu einem verschwindend geringen
Anteil 14C.
b) Wasserstoff existiert in den Isotopen 1H (99.9855 %), 2H=D (0.0145 %) und
3
H=T (10-5 %). Welche relative Atommasse sollte Wasserstoff demnach
besitzen, wenn Sie pro Nukleon eine Masse von 1.0087 u annehmen ?
Vergleichen Sie mit dem Tabellenwert. Woraus resultiert die Abweichung ?
rel. Atommasse Literatur: 1.0079; nach Rechnung: 1.0088; Abweichung:
Massendefekt.
c) Chlor findet sich in der Natur als Isotopengemisch 35Cl/37Cl. Schätzen Sie
anhand der Atommasse des Chlors das Verhältnis der beiden Isotope ab und
vergleichen Sie mit dem Literaturwert.
Abschätzung mit Atommasse von ca. 35.5: 35-Cl zu 37-Cl etwa 3:1. Tatsächlich:
75.77 % 35-Cl, 24.23 % 37-Cl.
d) Sie sehen die Atommassen von Beryllium, Fluor und Arsen aufgeführt.
Hierbei handelt es sich um Reinelemente (nur ein Isotop in der Natur). Das
Wasserstoffisotop 1H besitzt die Atommasse 1.00782519.
Warum liegen die genauen Atommassen im Falle des 1H und 9Be etwas
überhalb der gerundeten Massen von 1 bzw. 9, im Falle des 19F und 75As
jedoch unterhalb ? Warum widersprechen die Werte dem Phänomen des
Massendefekts nicht ?
Grund: atomare Massen auf 12C bezogen. Elemente vor C daher trotz Massendefekt
überhalb der ganzzahligen Werte, Elemente nach C unterhalb der ganzzahligen
Werte, wie durch den Massendefekt erwartet. Kein Widerspruch zum Massendefekt,
lediglich ein Resultat der Definition um 12C.
8) Als Chemiker sollte es eine Selbstverständlichkeit sein, das Periodensystem
auswendig zu beherrschen. Versuchen Sie sich innerhalb einer halben Stunde
das Periodensystem der Elemente weitestgehend einzuprägen.
• Spielen Sie im unteren „Spielfeld“ anschließend „Rösselsprung“: Starten
Sie bei Wasserstoff, springen Sie wie das Pferd beim Schachspiel von
Element zu Element und füllen Sie das leere PSE aus.
(Es wird nicht ernsthaft
erwartet, dass die
Studenten
diese
Aufgabe erfüllen)
•
• Um was handelt es sich bei den Elementen, die in der Treppe (staircase,
weiße Felder) liegen ? Welche Elemente des PSE sind Metalle, welche
sind Nichtmetalle ?
staircase: Halbmetalle (metalloids), hellgrau: Metalle, dunkelgrau: Nichtmetalle
• Welche Elemente sind bei Normalbedingungen flüssig ? Welche Element
der Hauptgruppen sind zusätzlich an einem warmen Sommertag flüssig ?
Quecksilber (Hg) und Brom (Br), außerdem bei leicht erhöhten Temperaturen
Gallium (Ga) und Caesium (Cs).
• Was ist das schwerste Element, das noch nicht nur in Form radioaktiver
Isotope vorkommt ? Bismut (Bi), von dem allerdings seit neuestem behauptet
wird, daß es ebenfalls radioaktiv ist (Halbwertszeit 1.9*1019a, α-Strahler, vgl.
Nature 422, 876-878,24 Apr. 2003)
Das Erdalkalimetall mit dem größten Atomradius findet sich in Periode Nr.
(1) 1 ____ (2) 2 ____ (3) 6 ____ (4) 7 _ x _
Welches Element hat das niedrigste 1. Ionisierungspotential ?
(1) Kalium _ x _ (2) Calcium ____ (3) Rubidium ____ (4) Strontium __
Welche Elektronenkonfiguration K-L-M-N entspricht einem Übergangsmetall ?
(1) 2-2 ____ (2) 2-8-2 ____ (3) 2-8-8-2 ____ (4) 2-8-9-2 _ x __
Welches Element der Gruppe VI-A hat die größte Elektronenaffinität ?
(1) Te ____ (2) Se ____
(3) S ____ (4) O _ x _
9) Was versteht man unter der „Schrägbeziehung“ im Periodensystem ? Woraus
resultiert Sie ? Geben Sie einige Beispiele !
chemisch ähnliches Verhalten von Elementen, die im PSE schräg zueinander stehen,
insbesondere in der 1. und 2. Achterperiode, z.B. Be und Al, B und Si. Ursache: sehr
ähnliches Ladungs/Radius-Verhältnis.
Welches Element E bildet am einfachsten ein zweiwertiges Kation E2+ ?
(1) Calcium __ x (2) Sauerstoff ____ (3) Natrium ____ (4) Aluminium ____
10)
Welches Element hat die höchste Elektronenaffinität ?
(1) O ____ (2) F _ x _ (3) He ____ (4) Cl ____
Beantworten Sie die folgenden multiple-choice-Fragen !
Die Nichtmetalle finden sich im Periodensystem tendentiell
(1) ganz links ___ (2) unten ___
(3) in der Mitte ___ (4) oben rechts _x_
Elemente mit sowohl Metall- als auch Nichtmetallcharakter nennt man
(1) Halogene___ (2) Chalkogene___ (3) Halbmetalle_ x (4) Übergangsmetalle __
Was ist die Ordnungszahl eines Alkalimetalls ?
(1) 10 ____ (2) 11 _ x _
(3) 12 ____ (4) 13 ____
Welches der Gruppe 17 Elemente hat die geringste Elektronenaffinität ?
(1) Fluor ____ (2) Chlor ____
(3) Brom ____ (4) Iod _ x _
Welches Element der 3. Periode hat den ausgeprägtesten Metallcharakter ?
(1) Natrium _ x _ (2) Aluminium ____ (3) Silicium ____ (4) Phosphor ____
Welches Element hat die höchste Elektronegativität ?
(1) O ____ (2) F ____ (3) He __ x (4) Cl ____
Das Element der 3. Periode mit dem höchsten 1. Ionisierungspotential ist ein
(1) Edelgas _ x _ (2) Halogen ___ (3) Alkalimetall ___ (4) Erdalkalimetall ___
Welches Ion hat den kleinsten Radius ?
(1) Ba2+ ____ (2) Ca2+ ____ (3) Mg2+ __ x (4) Sr2+ ____
Welches Element bildet Ionen, die größer als das Atom sind ?
(1) Na _ x _ (2) Ne ____
(3) Ba ____ (4) Sr ____
Welche Elektronenkonfiguration hat das Atom der 2. Periode mit dem größten
Radius ?
(1) 1s22s1 _ x _ (2) 1s22s2 ____
(3) 1s22s22p1 ____ (4) 1s22s22p2 ____
Geht man innerhalb einer Periode von links nach rechts, dann werden die
Elektronegativitäten
(1) steigen _ x _ (2) fallen ____
(3) gleich bleiben ____
Geht man innerhalb einer Periode von links nach rechts, dann sinkt
(1) das Ionisierungspotential ____ (2) der Atomradius _ x _
(3)die Elektronenaffinität ____
11)
Wieviele und welche Quantenzustände kann ein Elektron mit n = 4
einnehmen ?
Zahl der Zustände = 2n² = 32.
im einzelnen:
l = 0 , m=0
l= 1 , m=-1,0,+1
l= 2 , m=-2,-1,0,+1,+2
l= 3 , m=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3
noch jeweils mit spin up und spin down ergibt 32 mögliche Zustände.
12)
Übergangsmetalle der n. Periode können sowohl von der n. s-Schale, als
auch von der (n-1). d-Schale Elektronen abgeben. Ermitteln Sie die
Elektronenkonfiguration der folgenden Elemente und bestimmen sie welche
Elektronen entfernt werden, um die entsprechenden Kationen zu erzeugen !
Element
Symbol Elektronenkonfiguration
Ladung Elektronenkonfiguration
des Elements
als
des
Kations
Kation
Scandium Sc
1s22s22p63s23p64s23d1
6
2
6
2
10
+4
1s22s22p63s23p64s23d104p65s04d0
Molybdän Mo
1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d5 +6
1s22s22p63s23p64s23d104p65s04d0
2
2
6
2
6
2
6
2
2
6
2
6
2
8
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
6
2
2
1s22s22p63s23p64s03d0
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d
Fe
2
+3
Zirkonium Zr
Eisen
2
+2
1s22s22p63s23p64s13d5
+3
1s22s22p63s23p64s03d5
+2
1s22s22p63s23p64s03d8
Nickel
Ni
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
Silber
Ag
1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d10 +1
2
2
6
2
6
2
10
Zink
Zn
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
Chrom
Cr
1s22s22p63s23p64s13d5
1s22s22p63s23p64s23d104p65s04d10
+2
1s22s22p63s23p64s03d10
+3
1s22s22p63s23p64s03d3
+6
1s22s22p63s23p64s03d0
13) Die Orbitalenergien des Wasserstoffatoms sind nur eine Funktion der
Hauptquantenzahl n. Warum gilt dies für die schwereren Elemente nicht mehr ?
Welche Quantenzahlen nehmen hier auf die Energie Einfluß ?
schwerere Elemente sind Mehrelektronensysteme, die neben den WW Elektron-Kern
auch Elektron-Elektron Wechselwirkungen beinhalten. Dies führt zu einer energetischen
Differenzierung der Elektronen in den verschiedenen Unterschalen. Die Quantenzahlen
n und l nehmen hier auf die Energie Einfluß. In einem anisotropen Kraftfeld außerdem
auch ml und ms.
14) Skizzieren Sie den Verlauf des Ionisierungspotentials, des Atomradius und
der Elektronenaffinität der 3. Periode und erläutern Sie die Unstetigkeiten !
siehe Vorlesungsskript. Unstetigkeiten bei Verwirklichung von s2- , s2p3- und d5Zuständen.
15) Informieren Sie sich über den inert-pair-Effekt bei den schweren Elementen
der Hauptgruppen und dessen Ursache.
Bei schweren Hauptgruppenelementen werden selten die maximalen Oxidationszahlen
verwirklicht, die stabilsten Verbindungen sind meist ns2np0-konfiguriert (z.B. Tl(I), Pb(II)).
Das s2-Elektronenpaar ist durch seine relative Nähe zum hochgeladenen Kern
besonders schwer oxidativ zu entfernen.
16) Wie groß sind die deBroglie-Wellenlängen eines Elektrons im
Wasserstoffatom (m=9.109*10-31 kg, v=2.2*106 m/s) und eines Porsche 911
(m=1000 kg, v=250 km/h)? Berechnen Sie die Ortsunschärfen, wenn sie
annehmen, daß ∆v=2.2*104 m/s bzw. ∆v=1 mm/s beträgt (zum Vergleich: Der
Atomradius des H-Atom liegt im Bereich 10-10m). Interpretieren Sie die beiden
Ergebnisse !
Porsche: λ=9.5*10-39m; ∆x=h ; => Im makroskopischen quantenmechanische
Betrachtung sinnlos (aber nicht falsch).
Elektron: λ=0.33 nm; ∆x=10-8; => Ortsunschärfe größer als der Bahnradius =>
Bohrsches Modell kann nicht stimmen.