Bausteine der Materie

9. Bausteine der Materie
Die kleinsten chemisch nicht mehr trennbaren Teilchen sind die Atome.
Bereits Demokrit (380 v. Chr.) hatte diese Vorstellung.
Später dann erst wieder Dalton (1766-1844).
Ganz unterschiedliche Vorstellungen.
9.1 Aufbau des Atoms
• Jedes Atom besteht aus einem positiv
geladenen Kern und einer negativ geladenen
Hülle aus Elektronen.
• Der Durchmesser beträgt ca. 0,0000001 mm.
Der Kern selbst ist etwa 100000 mal kleiner
Vergleich: Kern (Kugel mit 1 mm Durchmesser)
Atom (Kugel mit 100 m Durchmesser)
Kapitel 9 Bausteine der Materie
• Zwischen dem positiven Kern und der
negativen Hülle herrscht eine
Anziehungskraft.
• Der Atomkern besteht aus positiven
Protonen (p+) und neutralen Neutronen
(n). Die Neutronen verhindern die
Abstoßung ("Kitt"). Im Kern ist der
allergrößte Teil der Masse.
• Die Anzahl der Protonen stimmt mit der
Anzahl der Elektronen zusammen. Das
Atom ist nach außen neutral.
• Die Atome der einzelnen Elemente
unterscheiden sich durch die Anzahl der
Protonen.
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Modell:
e
-
-
+
p
+
+
-
Wir stellen uns vor, dass sich
die Elektronen in Schalen
befinden.
Die innerste Schale kann
höchstens 2 Elektronen
aufnehmen.
He ( 2p, 2n; 2e)
H ( 1p, 1e)
Das 3. Elektron muss in die zweite Schale.
Auf ihr haben 8 Elektronen Platz.
-
+
+ +
-
Li (3p, 4n; 3e)
Die Anzahl der Elektronen in der äußersten
Schale gibt dem Chemiker Auskunft über
die chemischen Eigenschaften des
Elements.
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Niels
Bohr
Kapitel 9 Bausteine der Materie
9.2 Das Periodensystem der Elemente
Es ist eine systematische Anordnung.
Vgl. Buch Seite 4
Die Elemente sind nach der Anzahl der Protonen
im Kern geordnet.
Ordnungszahl
14
28,1
Si
Silizium
(relative) Atommasse
Elementsymbol
Elementname
Die (relative) Atommasse gibt an, wievielmal die Masse des Atoms
größer als die Masse des Wasserstoffatoms ist.
Bemerkung: Tatsächlich nimmt man 1/12 der Masse eines bestimmten C-Atoms.
Kapitel 9 Bausteine der Materie
9.2 Das Periodensystem der Elemente
Senkrecht:
Hauptgruppen:
1
H
1. Hauptgruppe: hat 1 e in der
äußersten Schale
2. Hauptgruppe: hat 2 e in der
....
8. Hauptgruppe: hat 8 e in der
äußersten Schale
2
He
1,0079
3
4
5
6
7
8
9
4,0
10
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
6,9
11
9,0
12
10,8
13
12,0
14
14,0
15
16,0
16
19,0
17
20,1
18
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
23,0
24,3
27,0
28,1
31,0
32,1
35,5
39,9
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Kleiner Ausschnitt
1
2
H
He
1,0079
3
4
5
6
7
8
9
4,0
10
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
6,9
11
9,0
12
10,8
13
12,0
14
14,0
15
16,0
16
19,0
17
20,1
18
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
23,0
24,3
27,0
28,1
31,0
32,1
35,5
39,9
Metalle
Nichtmetalle
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Periodensystem
H
He
Li Be
B
C
N
O
F
Na Mg
Al
Si
P
S
Cl Ar
K Ca Sc Ti
Rb Sr
Ne
V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
Cs Ba
La-Lu
Hf Ta W Re Os Ir
Pt Au Hg Tl
Fr Ra
Ac-Lr
Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Uu
I
Pb Bi Po At Rn
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
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Xe
Periodensystem
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Senkrecht:
Hauptgruppen:
1. Hauptgruppe: hat 1 e in der äußersten Schale
2. Hauptgruppe: hat 2 e in der .....
....
8. Hauptgruppe: hat 8 e in der äußersten Schale
In den Hauptgruppen sind jeweils die Elemente mit gleichen
chemischen Eigenschaften zusammengefasst.
Waagrecht:
In einer Zeile stehen jeweils Elemente mit der gleichen Anzahl von
Schalen.
Perioden:
1. Periode: Diese Elemente haben 1 Schale mit e besetzt
2. Periode: Elemente mit zwei Schalen
....
7. Periode: Elemente mit 7 Schalen.
Kapitel 9 Bausteine der Materie
9.3 Bindungsarten
Die meisten Atome haben das Bestreben, miteinander Bindungen
einzugehen.
9.3.1 Atombindung
Wasserstoff gibt es fast nur in Verbindungen.
e
+
p
H
-
+
H
+
-
+
H:H
oder H - H
Bildung eines Wasserstoffmoleküls.
Das gemeinsame Elektronenpaar wird durch einen Valenzstrich
dargestellt.
Strukturformel: H-H Der Bindestrich stellt das gemeinsame
Elektronenpaar dar.
Chemische Summenformel: H2
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Weiteres Beispiel: Wasser
Bildung der gemeinsamen
Elektronenpaare beim
Wassermolekül.
O
+
-
-
+
H
Die Summenformel lautet: H2O
+
H
O
H
H
Die chemische Summenformel
gibt an, aus welchen Elementen
und aus wie viel Atomen die
chemische Verbindung
zusammengesetzt ist.
O
bzw .
H
H
Die Formel mit den Bindearmen
heißt Strukturformel.
Bei der Atombindung oder Elektronenpaarbindung bewirkt das
gemeinsame Elektronenpaar den Zusammenhalt der Atome im
Molekül.
Kapitel 9 Bausteine der Materie
9.3.2 Die Metallbindung
Der Großteil der Elemente (ca. 80 von 100) sind Metalle.
Vgl. Periodensystem S. 4 (Diagonale)
Sie haben einen regelmäßigen
gitterförmigen Aufbau.
Ihre äußersten Elektronen sind nur
sehr locker an die Atome gebunden;
sie können also sehr leicht
abgegeben werden.
positiver
Atomrumpf
Die e- befinden sich dann in
den Zwischenräumen. Man
spricht von Elektronengas. Die
nun positiven Atomrümpfe
werden von den Elektronen
zusammengehalten.
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Elektronengas
Metallbindung
positiver Atomrumpf
Elektronengas
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Metall–Metall
9.3.3 Die Ionenbindung
- -
- -
+ -
+
+
-
+
- Na
Na
+
+
[Na]
+
Na
Cl
Cl
+
+
+
+
-
+
- [ Cl ]Cl -
Natrium hat in der äußersten Schale nur ein Elektron, das nicht sehr
fest gebunden ist. Dem Chloratom fehlt eines zu einer Achterschale.
Das Na gibt sein Elektron an das Chlor ab.
Dadurch entsteht ein positiv geladenes Natrium-Ion und negativ
geladenes Chlor-Ion.
Elektrisch geladene Atome heißen Ionen.
Kapitel 9 Bausteine der Materie
-
Zwischen den unterschiedlich geladenen
Ionen wirken elektrische Anziehungskräfte.
Es entstehen Ionengitter. Jedem Chlorion ist
ein Natriumion benachbart.
Die Salze sind Ionenverbindungen. Sie
bilden im festen Zustand Ionengitter.
Die Ionenbindung ist sehr fest. Daher sind Körper mit Ionengitter meist
sehr hart. Bei Erschütterungen brechen sie aber leicht auseinander
(spröde).
Die unterschiedlichen Bindungsarten zwischen den Teilchen bewirken
auch unterschiedliche Materialeigenschaften.
Zum Beispiel: Leitfähigkeit, Härte, Verformbarkeit, ...
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Ionenbindung
Nichtmetall–Metall
negatives Nichtmetallion
Kapitel 9 Bausteine der Materie
positives Metallion
9.4 Die elektrische Leitfähigkeit der Stoffe
Teststrecke
Versuch:
Wir können Leiter und Nichtleiter
unterscheiden.
Bei Leitern gibt es unterschiedlich gute.
A
Was passiert beim Fließen des el. Stroms?
Bewegen von Ladungen.
Da die positiven Ladungen im Kern gebunden sind, können sie
nicht wandern. (Materialtransport)
Der elektrische Strom in festen Stoffen besteht im Fließen von Elektronen.
Ampere hat festgelegt: Der technische Strom fließt von + nach –
Tatsächlich: Die Elektronenflussrichtung geht von – nach +
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Kapitel 9 Bausteine der Materie
9.4.1 Leiter
Den Großteil der elektrischen Leiter stellen die Metalle.
Ursache für die gute elektrische Leitfähigkeit der Metalle ist die leichte
Verschiebbarkeit der Elektronen im Metallgitter (Elektronengas).
Versuch:
Teststrecke
Leitung (1) mit Konstantan
(2) mit Kupfer überbrücken.
Ergebnis:
A
Kupfer leitet den Strom besser als Konstantan.
Silber ist der beste, dann Kupfer, Gold, Aluminium, ....
Fließen viele Elektronen durch den Draht, erwärmt sich der Leiter. Dies
wird bei Glühlampen, Heizstrahlern usw. benützt.
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9.4.2 Nichtleiter
Sind Stoffe, die keine frei beweglichen Ladungsträger zur Verfügung
haben.
Bei ihnen werden alle Elektronen zur Bindung benötigt.
Hiezu gehören: Stoffe mit Atombindung und Stoffe mit Ionenbindung
Beispiele: Glas, Keramik, Porzellan, Gummi, Kochsalzkristall,
aber auch reines Wasser.
Isolatoren werden in der Technik ebenso benötigt wie Leiter.
z. B. Ummantelung von Drähten und Kabeln, Isolatoren auf
Stromleitungen. Hebel bei Schaltern, ....
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Isolator - Metalle
Isolator
kein Stromfluss in
Ionenkristallen
Metalle
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9.4.3 Halbleiter
Ihre Leitfähigkeit liegt zwischen Leitern und Nichtleitern.
Zu ihnen gehören Silizium, Germanium, Selen, ....
Behandlung später (4. Klasse)
Freies Elektron
Loch
Siliziumatom
Elektron
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9.4.4 Elektrolyte
Kochsalz ist im festen Zustand ein Kristall und leitet den Strom nicht.
Destilliertes Wasser leitet ihn auch nicht.
Versuch:
Kathode
Anode
Wir geben zwei Elektroden in
destilliertes Wasser.
Ergebnis: Es leitet den elektrischen
Strom nicht.
A
Nun geben wir Kochsalz in das Wasser
und rühren etwas.
Ergebnis:
Das Salz löst sich in Wasser. Die Salzlösung leitet den Strom.
Das Ionengitter wird zerstört, es werden so positive Na-Ionen und negative Chlorionen frei, die für den elektrischen Strom verantwortlich sind.
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Negativer Pol: Kathode
Positiver Pol: Anode
Die Na+-Ionen wandern zur Kathode, die Cl–-Ionen wandern zur
Anode.
Wiederholung des Versuchs mit Leitungswasser. Dann Zugabe
von etwas Säure oder Lauge.
Auch hier werden Ionen frei.
Flüssigkeiten, in denen bewegliche Ionen vorhanden sind,
nennt man Elektrolyte. Sie leiten den el. Strom.
Auch der menschliche Körper stellt einen elektolytischen Leiter dar.
Achtung: Lebensgefahr, wenn man die beiden Pole der
Steckdose berührt.!!!
Lies Buch Seite 55: ab Vorsicht gefährliche Spannung.
Kapitel 9 Bausteine der Materie
Kapitel 9 Bausteine der Materie
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