Atommodell Rutherford Bohr Expertengruppe C - Schwind

Expertengruppe C
Die Atomhülle
Bearbeiten Sie folgende Aufgaben. Schreiben Sie sich zu jeder Aufgabe Notizen ins Heft, wo
dies angegeben ist. Ansonsten benutzen Sie das Arbeitsblatt.
Die Aufgaben werden Ihnen helfen, zu Experten für den Aufbau der Atomhülle zu werden. In einer
der folgenden Stunden werden Sie zusammen mit Experten aus den anderen Gruppen verschiedene
Aufgaben lösen, wobei Sie ihr hier erarbeitetes Wissen einbringen müssen.
Aufgaben
1. Führen Sie folgenden Versuch durch.
Anleitung: Reiben Sie den aufgeblasenen Luftballon mit einem Wolllappen (oder an einem
Wollpullover) ab und näheren Sie ihn Ihren Haaren.
Durch das Reiben hat sich der Luftballon aufgeladen. Eine solche Aufladung entsteht immer dadurch,
dass man Elektronen von einem Gegenstand abstreift oder auf ihn überträgt. Die Elektronen sind
einer der verschiedenen Bausteine, aus denen die Atome zusammengesetzt sind.
Wo vermuten Sie die Elektronen, wenn man sie so leicht entfernen kann?
2. Lesen Sie den Text „Die Hülle des Atoms“ und beantworten Sie folgende Fragen:
a) Aus welchen Bausteinen ist die Hülle der Atome aufgebaut und wie stellt man sich die
Hülle der Atome vor?
b) Atome des Kaliums haben
19 Elektronen. Zeichnen Sie die
Verteilung der Elektronen in
der Hülle des Kaliumatoms!
Skizze:
c) Was besagt die Oktettregel?
Expertengruppe C
Die Atomhülle
3. a) Zeichnen Sie die Atomhüllen des Neon (10 Elektronen), des Silicium (14 Elektronen)
und des Bor (5 Elektronen).
Atomhülle von Neon:
Atomhülle von Silicium:
Atomhülle von Bor:
b) Ergänzen Sie die freien Felder in der Tabelle.
Name der
Atomsorte
Wasserstoff
Natrium
Sauerstoff
Schwefel
Stickstoff
Argon
Calcium
Anzahl der
Elektronen
Elektronen
in der 1.
Schale
Elektronen
in der 2.
Schale
Elektronen
in der 3.
Schale
Elektronen
in der 4.
Schale
2
5
8
2
1
11
8
16
20
4. Lesen Sie den Text „Die Ionisierungsenergie“ und beantworten Sie die folgenden Fragen!
a) Wie kann man nachweisen, dass sich die Elektronen in der Atomhülle in verschiedenen
Schalen befinden? Was ist mit dem Begriff „Schale“ gemeint?
b) Erklären Sie das Diagramm der Ionisierungsenergien beim Aluminiumatom.
c) Wenn wir auch beim Natriumatom die 11 Elektronen der Reihe nach abspalten, nach welchen
Schritten erwarten wir einen Sprung in der Zunahme der Ionisierungsenergien?
Nach
und
.
Expertengruppe C
Die Atomhülle
Die Hülle des Atoms
Man weiß heute, dass das Atom aus einem Kern und einer Hülle besteht. Im Kern ist nahezu das
gesamte Gewicht (man sagt besser: die Masse) und auch die ganze positive Ladung zu finden. Aber
der Raum um den Atomkern ist nicht leer. Auch diese so genannte Atomhülle enthält Bausteine des
Atoms: die Elektronen.
In den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelte
der dänische Physiker NIELS BOHR unsere heutige Vorstellung
vom Aufbau der Atomhülle. Bohr erkannte, dass sich die
Elektronen in einer regelmäßigen Anordnung in der Atomhülle
aufhalten. Vereinfacht kann man sich diesen Zustand so
vorstellen, dass sich die Elektronen in Schalen befinden, die
den Atomkern kugelförmig umgeben. Wir bezeichnen die
Schalen von innen nach außen als 1., 2., 3. Schale usw.
Diese Schalen stellen verschiedene Energiestufen dar,
wobei die Schalen immer energieärmer sind, je weiter innen
sie liegen. Da die Dinge in der Natur fast immer einen
möglichst energiearmen Zustand anstreben, versuchen die
Elektronen sich immer in einer möglichst weit innen
liegenden Schale aufzuhalten.
Allerdings hat sich gezeigt, dass die einzelnen Schalen nicht
beliebig viele Elektronen aufnehmen können. So passen in
die 1. Schale höchstens 2 Elektronen. Die zweite Schale
kann 8 Elektronen aufnehmen, die dritte 18 Elektronen.
Wir wollen uns dies am Beispiel des Phosphoratoms einmal
anschauen. Phosphoratome besitzen 15 Elektronen. Die
ersten zwei Elektronen befinden sich in der 1. Schale, die
nächsten 8 in der 2. Schale. Übrig bleiben 5 Elektronen, die
sich dann in der dritten Schale befinden.
Allerdings gelten diese Regeln streng nur für Atome mit bis zu zwanzig
Elektronen. Danach gibt es einige Besonderheiten. Aber das zu erklären
würde hier zu weit führen.
Eine andere Besonderheit sollten wir aber noch erwähnen. Atome, die
genauso viele Elektronen wie die Edelgase in ihrer äußeren Schale
haben, sind immer sehr stabil. Man nennt dies die Edelgasregel. Dies
sind bei den Edelgasen acht Elektronen. Man spricht daher auch von der
Oktettregel (Oktett = acht Stück).
Expertengruppe C
Die Atomhülle
Die Ionisierungsenergie
Die Atomhülle enthält die Elektronen und diese sind negativ geladen. Da wir wissen, dass sich
unterschiedlich geladene Gegenstände anziehen, werden diese vom positiv geladenen Atomkern
festgehalten.
Allerdings kann man diese Elektronen aus der Atomhülle abspalten. Man sagt, das Atom wird
ionisiert. Dafür muss man aber eine Menge Kraft oder besser Energie aufbringen. Diese Energie
kann man für jedes einzelne Elektron messen, das man aus dem Atom entfernt. Man spricht von der
Ionisierungsenergie. Entfernt man nun ein Elektron nach dem anderen aus dem Atom und misst
dabei die Ionisierungsenergien, kann man Einblicke in den Aufbau der Atomhülle bekommen.
Wir wollen uns dies am Beispiel des Phosphoratoms einmal anschauen, das wir im Text „Die Hülle
des Atoms“ bereits kennen gelernt haben. Phosphoratome, die noch nicht ionisiert sind, besitzen 15
Elektronen. Diese werden nun der Reihe nach aus dem Atom entfernt. Es verwundert wenig, dass mit
jedem Elektron die Abspaltung schwieriger wird. Immerhin werden ja immer weniger Elektronen von
einer gleich großen positiven Ladung im Kern angezogen.
Erstaunlich ist aber, dass diese Zunahme
scheinbar Sprünge macht. Dies können wir
in der Abbildung erkennen, wo wir die
nötige Energiemenge für jedes Elektron als
Balken dargestellt haben. Wir sehen diese
Sprünge nach dem 5. und dem 13. Elektron,
das abgespalten wird.
Wenn wir uns nun an den Aufbau der
Atomhülle des Phosphoratoms erinnern,
sind die ersten fünf Elektronen, die wir
abspalten, aus der äußeren -hier der drittenSchale. Das 6. bis 13. Elektron sind die acht
Elektronen aus der zweiten Schale. Die
letzten beiden Elektronen sind aus der
ersten Schale.
Was heißt das nun? Durch diese Bestimmung der Ionisierungsenergien, die man für jedes Atom
vornehmen kann, hat man festgestellt, dass von innen nach außen gesehen immer nach dem 2.
Elektron und dann nach weiteren 8 Elektronen ein solcher Sprung auftritt. Wir haben im Text „Die
Hülle des Atoms“ bereits gehört, dass der Abstand zum Atomkern etwas mit der Energie zu tun hat,
die das Elektron im Atom aufweist. Elektronen mit ähnlicher Energie haben einen ähnlichen Abstand
zum Atomkern. Damit haben die beiden inneren und dann die nächsten acht Elektronen unter sich
einen ähnlichen Abstand zum Atomkern. Hieraus hat sich die Vorstellung entwickelt, dass sich solche
Elektronen, die einen ähnlichen Abstand zum Atomkern haben, in einer gemeinsamen Schale um den
Atomkern befinden.