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Allgemeine Chemie
Der Atombau
Dirk Broßke
Berlin, Dezember 2005
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1. Atombau
1.1. Der Atomare Aufbau der Materie
1.1.1. Der Elementbegriff
Materie besteht aus...
# 6.Jh.v.Chr. Empedokles: Erde, Wasser, Luft, Feuer
# Mittelalter Alchimisten: S; Hg und Salz
# 1642; 1661 Jungius und Boyle: Elemente sind Substanzen, die sich nicht in andere Stoffe
zerlegen lassen.
1.1.2. Daltons Atomtheorie
Chemische Elemente bestehen aus kleinsten, nicht weiter zerlegbaren Teilchen, den Atomen. Alle
Atome eines Elements sind einander gleich, besitzen also gleiche Masse und gleiche Gestalt.
Atome verschiedener Elemente haben unterschiedliche Eigenschaften. Jedes Element besteht also
aus nur einer für das Element typischen Atomsorte
Chemische Verbindungen entstehen durch chemische Reaktionen von Atomen verschiedener
Elemente. Die Atome verbinden sich in einfachen Zahlenvrhältnissen, und werden durch
chemische Gleichungen beschrieben.
z.B.:
C + O = CO
C + 2O = CO2
Gesetz zur erhaltung der Masse (Lavoisier 1785). Bei allen chemischen Vorgängen bleibt die
Gesamtmasse der an der Reaktion beteiligten Stoffe konstant.
Gesetz der konstanten Proportionen (Proust 1799). Eine chemische Verbindung bildet sich
immer aus konstanten Massenverhältnissen der Elemente.
Gesetz der multiplen Proportionen (Dalton 1803). Bilden zwei Elemente mehrere Verbindungen
miteinander, dann stehen die Massen desselben Elements zueinander im Verhältnis kleiner ganzer
Zahlen.
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1.2. Der Atomaufbau
1.2.1. Elementarteilchen, Atomkern, Atomhülle
Atome sind aus noch kleineren Teilechen (Elementarteilchen) zusammengesetzt
Elementarteilchen sind kleinste Bausteine der Materie, die nicht aus noch kleineren Einheiten
zusammengesetzt sind. Sie sind aber ineinander umwandelbar, also keine Grundbausteine im Sinne
unveränderlicher Teilchen.
Einige hunter dieser Elementarteilchen sind gegenwertig bekannt, abber nur wenige sind sind für
den Atombau von Bedeutung (Elektronen, Protonen, Neutronen).
Elementarteilchen
Elektron
Proton
Neutron
Symbol
e
p
n
Masse
0,9109*10-30 kg
5,4859*10-4 u
1,6725*10-27 kg
1,007277 u
1,6748*10-27 kg
1,008665 u
leicht
Ladung
schwehr, nahezu gleiche Masse
-e
+e
keine Ladung
negative
positive
neutral
Elementarladung Elementarladung
Elementarladung: e = 1,6022 * 10-19 C
Alle auftretenden Ladungsmengen können nur ein ganzzahliges Vielfaches von e sein.
Eine atomare Masseneinheit (u) ist definiert als 1/12 der Masse eines Atoms des Kohlenstoffnuklids
12C
1 u = 1,6606 * 10-27 kg
Schematische Darstellung eines Atoms:
Kernladungszahl = Zahl der Protonen = 4
Massenzahl = Zahl der Protonen + Neutronen = 9
Zahl der Elektronen = Zahl der Protonen = 4
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1.2.2. Chemische Elemente, Isotope, Atommassen
Die meisten Elemente bestehen nicht aus identischen Atomen, sondern aus einen Gemisch von
Atomen die sich in der Zusammensetzung der Atomkerne unterscheiden.
Die drei Atomarten des Wasserstoffs:
Ein chemisches Element besteht aus Atomen mit gleicher Protonenzahl (Kernladungszahl), die Zahl
der Neutronen kann unterschiedlich sein.
gleiche Kernladungszahl = gleiche Elektronenzahl = gleiche Elektronenhülle = gleiches chemisches
Verhalten
Eine durch Kernladungszahl und Neutronenzahl charakterisierte Atomsorte bezeichnet man als
Nuklid. Nuklide mit gleicher Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl heißen Isotope.
Die meisten Elemente sind Mischelemente, das heißt sie bestehen aus mehreren Isotopen, die in
unterschiedlicher häufigkeit vorkommen.
Isobare sind Nuklide mit gleicher Nukleonenzahl, aber verschiedener Protonenzahl
Die Atommasse eines Elementes erhält man aus den Atommassen der Isotope unter
Berücksichtigung der natürlichen Isotopenhäufigkeit. Die relative Atommasse Ar eines Elementes X
ist auf 1/12 der Atommasse des Nuklids 12C bezogen
Ar(X) =
mittlere Atommasse von X
1/
12
(Nuklidmasse von 12C
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1.2.3. Massendefekt, Äquivalenz von Masse und Energie
Bei der Vereinigung von Neutronen und Protonen zu einem Kern wird Kernbindungsenergie frei.
Der Energieabnahme des Kerns äquivalent ist eine Massenabnahme, den E = mc2.
c = 2,99793 * 108 m s-1 (Lichtgeschwindigkeit)
Das Gesetz besagt, dass Masse in Energie umwandelbar ist und umgegkehrt. Einer atomaren
Masseneinheit entspricht die Energie von 931 * 106 eV = 931 MeV (1 u = 931 MeV )
m ( 4He ) = 2mn + 2mp - 0,03
( 2mn + 2mp = 4,0319 u )
mn = Masse Neutron
mp = Masse Proton
1.3. Kernreaktion
chemische Reaktion: Veränderung der Elektronenhülle, Kern bleibt unverändert, Energieumsatz
nur wenige eV => Gesetz der Erhaltung der Masse (Änderung nicht erfassbar).
Kernreaktion: Veränderung der Atomkerne (Elektronenhülle spielt keine Rolle); hoher
Energieumsatz => Massenänderung.
1.3.1. Radioaktivität
1896, Becquerel: Uranverbindung strahlt spontan
1888, Pierre und Marie Curie:, Endeckung des Radiums
1903, Rutherford und Soddy: Entdeckung der Radioaktivität
α - Strahlen: bestehen aus 4He2+ - Kernen
β - Strahlen: bestehen aus Elektronen
γ - Strahlen: energiereiche, elektromagnetische Strahlung
α - Zerfall (Massezahl nimmt von Glied zu Glied um vier ab)
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β - Zerfall (Massezahl bleibt konstant)
β - Zerfall : n -> p + e (Das Element mit einer um eins erhöhten Ordnungszahl entsteht)
Die bei radioaktiven Umwandlungen entstehenden Elemente sind meist ebenfals radioaktiv und
zerfällt weiter, so dass Zerfallsreihen entstehen. Diese wird solange fortgesetzt bis ein stabieles
Nukleotid entsteht.
Maß für die Stabilität eines Nuklids ist die Hablbwertzeit t ½
Es gilt dann:
Halbwertzeiten liegen zwischen 10-9 und 1014 Jahren. Radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit ist
unabhängig von der Temperatur, vom Druck und von der chemischen Umgebung. Sie wird deshalb
auch als geologische Uhr bezeichnet.
Zerfallsreihe
Nukleonenzahl Ausgangsnuklid
Stabieles
Endprodukt
Abgegebene
Teilchen
α
β
Thoriumreihe
4n
6
4
Neptuniumreihe
4n + 1
7
4
Uran-RadiumReihe
4n + 2
8
6
Actinium-UranReihe
4n + 3
7
4
Altersbestimmung mit Hilfe der 14C - Methode
In der oberen Atmosphäre wird durch Kosmische Strahlung
Die Halbwertzeit von
erzeugt.
durch β - Zerfall beträgt t½ =5730 Jahre. Im laufe der Erdgeschichte
hat sich ein konstantes Verhältnis zu inaktiven CO2 ( 13CO2 ; 12CO2 ) eingestellt. Durch
Assimilation wird das CO2 auf die Pflanzenwelt übertragen und dann auch von der Tierwelt
aufgenommen.
Nach dem Absterben hört der Stoffwechsel auf und damit auch die Gleichstellung von CO2 . Durch
messung des 14CO2 Gehaltes lässt sich der Zeitpunkt des Absterbens bestimmen.
Das Alter von Mineralien kann über den 238U - Gehalt im Verhältnis zum Zerfallsprodukt (z.B.
204Pb ) bestimmt werden.
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1.3.2. Künstliche Nuklide
Kernreaktionen können erzwungen werden, wenn man Kerne mit α - Teilchen, Protonen,
Neutronen, Deutronen, u.a. beschießt.
Nuklide mit den Ordnungszahlen 93-112; 114 konnten bereits hergestellt werden.
1.3.3. Kernspaltung, Kernfusion
Spaltung von Uran durch thermische Neutronen
Energiegewinn durch Zerfall des schweren Urankerns in zwei leichte Kerne
Bei der Spaltung entstehenden Neutronen führen zu einer Kettenreaktion.
ungesteuert: Es sind mehr (K) zur spaltung befähigte Neutronen vorhanden als benötigt werden
(z.B. Atombombe)
gesteuert: K = 1 (Atomreaktor)
natürliches Uran als Spaltstoff
Konkurenzreaktion:
238U
+ nschnell
239U*
(nschnell => Bremssubstanz (Graphit) => nlangsam)
nur 235U ist von den natürlichen Isotopen mit langsamen Neutronen spaltbar => Anreicherung
Aber: 238U + nschnell
239U*
239Np
239Pa
(auch Spaltbar)
Kernenergie kann auch durch verschmelzung sehr leichter Kerne entstehen: 2H + 3H
Aber sehr hohe Teilchenenergie ist erforderlich
(107-108°C)
1952 in der Wasserstoffbombe realisiert: 6Li + n
3H
Thermonukleare Reaktion
+ 4He / 2H + 3H
=> 22MeV; 4x mehr Energie als bei der Kernspaltung der gleichen Masse
Kontrolierte Kernfusion ist noch nicht möglich, ist aber Wichtig:
•
•
Rohstoffe sind in beliebiger Menge vorhanden
Produkte sind nicht Radioaktiv
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4He
235U
4He
+n
+n
1.3.4. Elementhäufigkeit, Elemententstehung
Modell für die Entstehung der Elemente (ersten 50 Jahre):
•
•
•
Urknall
Wasserstoff ist gebildet, Ausdehnung und Bildung kleiner Dichtefluktuationen
Dichtere Stellen haben durch Gravitation Materie angezogen, Sterne entstehen, kinetische
Energie wird zu Wärme
1.4. Die Strucktur der Elektronenhülle
1.4.1.Bohrsches Modell des Wasserstoffatomes
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