Kapitel-4 Atomaufbau
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3. Der Aufbau der ATOME Buch Seite 15 - 16 WIW - HTL – St. Pölten Atomtheorien Geschichtlicher Überblick • 460 v.Chr: Demokrit - kleinste, unteilbare Materieteilchen atomos • 1805 John Dalton (1766 - 1844) : Atome sind unteilbar! – – • • • • • • • • • • bei chemischen Reaktionen werden Atome verbunden oder getrennt Verbindung (mind. 2 Atomsorten in einem festen Mengenverhältnis) 1817/29 W. Döbereiner Elementgruppen (Triaden) 1869 L. Meyer und D. Mendelejew das Periodensystem 1900 Quantentheorie von M M. Planck 1911 Atommodell von E. Rutherford 1913 Niels Bohr: Bohrsches Atommodell 1918 W. Aston beweist die Existenz von Isotopen 1924 W. Pauli formuliert das Pauli-Verbot 1926 Entwicklung der Schrödinger-Formel der Wellenmechanik 1927 W. Heisenberg: „Unschärferelation„ 1951-59 Atomorbital-Theorie von Mulliken, Mulliken Hund: Molekülorbitale WIW - HTL – St. Pölten Bausteine der Atome • Atome aus noch kleineren Einheiten zusammengesetzt •Protonen im Kern: Kernladungszahl / Ordnungszahl, freie Protonen – Säure! • Neutronen N t iim Kern: K G d für Grund fü Isotope, I t freie f i Neutronen N t bei b i Radioaktivität R di kti ität • Elektronen, die den Kern umkreisen Abkürzung Masse in kg Masse in u Elementarladungen e 1e = 1,6022*10-19 C p+ , H + 1,6726·10-27 1,007276 +1 e Neutron n 1,6749·10-27 1,00867 0 Elektron e- 9,1096·10-31 0,000549 -1 e Name Proton mProton ≈ mNeutron = 2000 · mElektron ~ 1 u Definition: 1u (unit) = 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms aus 6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen ((12C); ) 1 u = 1,66056 · 10-27 kg WIW - HTL – St. Pölten 100 pm 0,01 pm WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität • • • 1895 Röntgen – Röntgenstrahlen 1896 Henry Becquerel – Radioaktivität Marie und Pierre Curie – Pechblende (UO2) → Polonium, Radium (10-5%) WIW - HTL – St. Pölten Wirkung radioaktiver Strahlung Strahlenschäden durch hohe empfangene Strahlenmengen: • physikalische y Prozessen: Ionisation und Anregung g g • chemische Reaktionen stören Lebensvorgänge • Gefährliche Stahlung: γ von außen, α von innen! Symbol Art der St hl Strahlung Elektrische LichtReichweite Ladung geschwindig- in Luft keit Strahlung abgeschirmt durch α-Strahlung: Heliumkerne +2 ca. 10 % einige cm Papier ß-Strahlung: Elektronen -1 ca. 90% Einige m Glasplatte γ-Strahlung: Elektromagnetische Wellen 0 100 % einige 100 m Blei WIW - HTL – St. Pölten Natürliche Radioaktivität: α,β,γ αβγ WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität: α-Zerfall α Zerfall • Abstrahlung von He-Kernen: 42He2+ • Abgabe von 2 Protonen und 2 Neutronen des strahlenden Nuklids – Abnahme der Neutronenzahl um 2 – Abnahme der Protonenzahl um 2 – Massenzahl minus 4, Kernladung minus 2! • Beispiele: 238 U 92 210 Po 84 → 234 Th 90 + 42He2+ (Halbwertzeit 1,2·107 s) → 20682Pb + 42He2+ (stabil) WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität: β-Zerfall β Zerfall • β- –Emission: E i i El Elektronenabgabe kt b b aus Kern!!! K !!! • Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron – Abnahme der Neutronenzahl um 1 – Zunahme der Protonenzahl um 1 – Massenzahl bleibt unverändert, Kernladung um 1 erhöht! 234 Th 90 → 234 Pa 91 14 C 6 → 14 N 7 + e- (Halbwertzeit 2,1·106 s) + e- ((Halbwertzeit 1,8·1011s)) Zerfallsreaktion zur C-14 - Altersbestimmung WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität: γ-Zerfall γ Zerfall • γ-Strahlen: – Rö Röntgen t 1895: 1895 neue St Strahlenart hl t entdeckt td kt – Eigenschaften: unsichtbar! keine Beeinflussung durch elektrische und magnetische Felder! – Erzeugung von Fluoreszenstrahlung – Schwärzung von Photoplatten – Ionisation von Gasen – hohe Durchdringungsfähigkeit – energiereiche, hochfrequente (sehr kurzer Wellenlängen) elektromagnetische l kt ti h W Wellen ll aus d der El Elektronenhülle kt hüll durch Energieänderung der Elektronen • Neutronenstrahlen: sind energiereiche Neutronen WIW - HTL – St. Pölten Atomkern Nuklid A X Z Atomart aus Protonen, Neutronen und Elektronen Chemisches Element X Nuklide mit gleicher Protonenzahl (Isotope nicht genau angegeben!) Ordnungszahl Z A X Z KERNLADUNGSZAHL: Anzahl der Protonen im Atomkern Massenzahl A A X Z Atommasse = Summe der Kernteilchen (Protonen + Neutronen) Isotope 35 Cl 37 Cl 17 17 Elemente mit unterschiedlicher M Massezahl hl A Isobare 40Ar, 40K Nuklide mit gleicher Massezahl A, unterschiedlicher Ordnungszahl Z verschiedener Elemente, Trennung! Atom durch Ordnungszahl und Massenzahl: 1H 16O 14N 12C 13C 14C 1 8 7 6 6 6 WIW - HTL – St. Pölten • • • • • • • gleiche Ordnungszahl, verschiedene Massenzahl. Sie haben gleiche chemische Eigenschaften aber unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Reinelemente ((z. B. Fluor,, Iod)) - lsotopengemische p g Methoden zur Trennung: Destillation, Zentrifugieren, …. Kupfer: Cu-63: 69,17% und Cu-65: 30,83% WIW - HTL – St. Pölten Isotope - Radioaktivität OZ Symb Symb. 1 1H+ 1H 2H 3T 2 4He2+ 3He Element Häufigkeit t50 α/β/γ 1 1 2 3 1,007276 1,007825 2,014102 3,014949 99,985 0,015 - 12,26 a e- -Teilchen Helium 4 3 4 5 6 7 4,001507 3,016030 4,002604 5,012296 6,018900 - 0,00013 99,9998 - 2·10-21 s 0,81 s - n, ee- Lithium 5 6 7 8 9 5,012541 , 6,015126 7,016005 8,022488 9,027300 7,42 92,58 - ca.10-21s 0,85 s 0,17 s p, ee- 5He 6He 7He 5Li Masse [u] Proton Wasserstoff Deuterium Tritium 4He 3 MZ 6Li 7Li 8Li 9Li WIW - HTL – St. Pölten Radioaktivität: Halbwertszeit • • • Nuklid Halbwertszeit Uran-238 9 Jahre 4,5*10 , Kalium-40 1,3* 109 Jahre Kohlenstoff-14 5.730 Jahre R di Radium-226 226 1 600 JJahre 1.600 h Strontium-90 28 Jahre Tritium 12,3 Jahre Cobalt-60 5,3 Jahre Polonium-210 138 Tage lod 131 lod-131 8 Tage Polonium-214 1,6 *10-7 Sekunden kt Zerfallsreihe: Z f ll ih N (t) = N0 · e-k·t Halbwertszeit: N = 1/2 N0 daher: nach 10 Halbwertszeiten ca. 1 Promille! Je kürzer die Halbwertszeit, desto mehr Strahlung wird abgegeben: Aktivität = Zerfallsakte pro Sekunde (Einheit: 1 Bq - Becquerel = 1/s) WIW - HTL – St. Pölten Radioaktive Elemente OZ Name OZ Name OZ Name 43 Technetium 91 Protactinium 101 Mendelevium 61 Promethium 92 Uran 102 Nobelium 84 Polonium 93 Neptunium 103 Lawrencium 85 Astat 94 Plutonium 104 Rutherfordium 86 Radon 95 Americium 105 Dubnium 87 Francium 96 Curium 106 Seaborgium 88 Radium 97 Berkelium 107 Bohrium 89 Actinium 98 Californium 108 Hassium 90 Thorium 99 Einsteinium 109 Meiternium 100 Fermium 110 Darmstadtium Elementnamen nach IUPAC 1997: bis 109 festgelegt! Blaue Elemente – ab Americium nur künstlich herzustellen! R Rote El Elemente – ab b Polonium P l i radioaktive di k i El Elemente: „schwere“ h “K Kerne enthalten mehr Protonen, die sich gegenseitig abstoßen! WIW - HTL – St. Pölten Kernenergie - Atomkraft Wärmeenergie aus Masseverlusten in Atomen! Kernspaltung von Uran-235 in Kraftwerken: 235 U + 1 n → 89 Kr + 144 Ba + 3 1 n + Δ W 92 0 36 56 0 • Restrisiko für Unfälle: Moderation durch H2O, D2O, C • • Wiederaufbereitung der Brennstäbe Endlagerung strahlender Abfälle: lange Halbwertszeit vieler Nuklide Kernkettenreaktionen in Atombomben: Kernreaktoren liefert Material für Atomwaffen Spontane Spaltungen: 23892U → 13752Te + 9840Zr + 310n • • WIW - HTL – St. Pölten WIW - HTL – St. Pölten Kernfusion Verschmelzung leichter Atomkerne • Sonne wird durch Kernfusion geheizt: 4 11H → 42He + 2 e+ + Δ W (26,1 MeV) • • • Positronen (e+): positiv geladene Elementarteilchen Kernfusion in Wasserstoffbombe 1991 kontrollierte Kernfusion: D + T 2 H + 3 H → 4 He + 1 n + Δ E (17,6 1 1 2 0 MeV) Plasma durch Pl d h ein i M Magnetfeld tf ld eingeschlossen. 2 Sekunden, Temperatur ca. 170 Millionen°C • WIW - HTL – St. Pölten mehr Energie aufgewendet, als gewonnen Radioaktive Isotope als Marker WIW - HTL – St. Pölten Quelle: The New York Times 3 Der Aufbau der ATOME 3. Das Kern-Hülle-Modell des Atoms Buch Seite 16 - 17 WIW - HTL – St. Pölten Atommodell nach Rutherford • • 1911 Strahl aus α-Teilchen α Teilchen fast geradlinig durch 0,004 mm Gold-Folie Atomkern im Mittelpunkt des Atoms: – fast die gesamte Atommasse – die ganze positive Ladung – Atomkern ist sehr klein, 10-15m • Elektronen – nehmen fast das ganze Volumen des Atoms ein – außerhalb des Atomkerns und umkreisen ihn in schneller Bewegung – Großteil des Volumens eines Atoms ist leerer Raum: α-Teilchen ungehindert durch Metallfolie!!! • Atomdurchmesser: 10-10 m, 100.000-mal größer als Kern! WIW - HTL – St. Pölten Bohrsches Atommodell 1913 • • • • • Atommodell in Analogie zum Planetensystem El kt Elektronen bewegen b sich i h ohne h E Energieverlust i l t auff kkonzentrischen ti h Kreisbahnen um den Atomkern (Planeten- oder Schalenmodell) Jede Schale hat konstanten Energieinhalt g ((= Elektronenhüllen)) Differenz des Energieinhaltes wird aufgenommen oder abgegeben, wenn ein Elektron von einer auf die andere Schale springt (("Quantelung" Quantelung der Energie) Elektronenschalen mit K, L, M, N, ... bezeichnet oder durch Hauptquantenzahl n mit n = 1, 2, 3, ... – n = 1 entspricht der K - Schale – n = 2 entspricht der L - Schale – n = 3 entspricht der M - Schale usw usw. WIW - HTL – St. Pölten Bohrsches Atommodell 1913 • • • Elektronenschalen mit steigender Hauptquantenzahl n entsprechend der Kernladungszahl Z mit Elektronen besetzt: – K-Schale (n = 1) maximal 2 Elektronen – L-Schale (n = 2) maximal 8 Elektronen – M-Schale (n = 3) maximal 18 Elektronen – N-Schale (n = 4) maximal 32 Elektronen Maximale Elektronenzahl pro Schale = 2 · n2 geringste Energie in K-Schale – Grundzustand: G d t d Elektron El kt auff innerster, i t freier f i Bahn B h ((geringste i t E Energie) i ) – Energiezufuhr: Elektron wechselt auf eine weiter außen liegende Bahn „Anregung eines Elektrons“ – Rückkehr in Grundzustand: definierter Energiebetrag als Lichtenergie freigesetzt: Lichtquant WIW - HTL – St. Pölten Wellenmechanisches Atommodell • Elektron (Materie) mit Impuls p = m*v wird • Materiewelle mit der Wellenlänge l = h/p zugeordnet • stehende Elektronenwelle nur für bestimmte Schwingungszustände bzw. nur für bestimmten Energiestufen (bisher „Bahnen“) möglich. WIW - HTL – St. Pölten Wellenmechanisches Atommodell • Schrödinger- Gleichung 1926: – Wellenfunktion des Elektrons mit Energie und Raumkoordinaten – Wahrscheinlichkeitsaussagen über Ort des Elektrons • Elektron des Wasserstoffs: – – – – kugelförmiges Gebilde Elektronenkugel g nicht g gleichmäßig g mit Masse und Ladung g erfüllt nicht scharf begrenzt Elektronen- oder Ladungswolke ist innen besonders dicht nach außen hin dünner, dünner bis schließlich nicht mehr da! WIW - HTL – St. Pölten • 1927 Werner W H i Heisenberg: b U Unschärferelation hä f l ti (Ort ODER Impuls) • 1926 E Erwin i Schrödinger: S h ödi Gl i h Gleichung d der Wellenmechanik – – – – Energie des jeweiligen Zustandes Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons in diesem Zustand Impuls p = m*v entspricht einer Materiewelle mit Wellenlänge λ = h / p stehende Elektronenwellen - ganz bestimmte bestimmte, diskrete Schwingungen WIW - HTL – St. Pölten 4 Quantenzahlen 4-Quantenzahlen 1. Hauptquantenzahl n: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ? g = Schale Grundenergie WIW - HTL – St. Pölten 4 Quantenzahlen 4-Quantenzahlen 1.Hauptquantenzahl n 4 Quantenzahlen 1.Hauptquantenzahl n: 2.Bahnquantenzahl l: l = 0 bis n-1 Geometrie des Aufenthaltsraums , 4, , 5,, 6,, 7,, ?(Orbitals): 1,, 2,, 3, l = 0 Kugelform s - Orbital (s = sharp) Grundenergie =pSchale l = 1 hantelförmig - Orbital (p = principal) WIW - HTL – St. Pölten 4 Quantenzahlen 4-Quantenzahlen 2. Bahnquantenzahl l: l = 0 bis n-1 4Geometrie Quantenzahlen des Aufenthaltsraums (Orbitals): l = 0 Kugelform s - Orbital (s = sharp) 1.Hauptquantenzahl n: l = 1 hantelförmig p - Orbital (p = principal) , 2,, 3,, 4,, 5,, 6,, 7,, ? d - Orbital (d = diffuse) 1, l = 2 Doppelhanteln Grundenergie l = 3 Mehrfachhanteln, = Ringe Schale f - Orbital (f = fundamental) WIW - HTL – St. Pölten 4 Quantenzahlen 4-Quantenzahlen 1.Hauptquantenzahl n: 4 Quantenzahlen 2 Bahnquantenzahl l 2.Bahnquantenzahl 1.Hauptquantenzahl n: 3.magnetische Quantenzahl m: 2,,1),..., 3,, 4,, 00,..., 5,, 6,,-(l-1) , ? -ll +l1,,+(l-1) +l, +(l (l7,1), Grundenergie = Schale Orientierung im Magnetfeld (magn. Elektroneneigenschaften) s-Orbitale: 1 Orbitalgeometrie (m = 0) p-Orbitale: 3 Orbitalgeometrien (m = -1, 0, +1) d-Orbitale: d Orbitale: 5 Orbitalgeometrien (m = -2, 2, -1, 1, 0, +1, 1, +2) 2) f-Orbitale: 7 Orbitalgeometrien (m = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3) WIW - HTL – St. Pölten 4 Quantenzahlen 4-Quantenzahlen 1.Hauptquantenzahl n 4 Quantenzahlen 1.Hauptquantenzahl n:l 2.Bahnquantenzahl ,? 1,, 2,, 3,, 4,, 5,, 6,, 7,Quantenzahl 3.magnetische m Grundenergie = Schale 4.Spinquantenzahl s: + 1/2 (parallel) und - 1/2 (antiparallel) Drehrichtung (Spin) des Elektrons: maximal a a 2 Elektronen/Orbital! e o e /O b a WIW - HTL – St. Pölten 4 Quantenzahlen HauptquantenH t t zahl n 1 2 0 0 0 0 Spinquantenzahl ms +½ -½ +½ -½ O bit l Orbital 1s Nebenquanten Nebenquantenzahl l Magnetische Quantenzahl m Q 3 1 -1 0 0 +1 +½ +½ +½ -½ -½ -½ 2 2p 2s 2 2px 2py 2pz energiegleich! WIW - HTL – St. Pölten 0 +½ -½ 1 -1 0 +1 2 -2 -1 0 +1 +2 +½ +½ +½ +½ +½ +½ +½ +½ -½ -½ -½ -½ -½ -½ -½ -½ 3 3p 3s 3 3d 3px 3py 3pz 3dxy 3dxz 3dyz 3dzz 3d energiegleich! energiegleich! Elektronenkonfiguration WIW - HTL – St. Pölten Besetzung der Elektronenschalen • Pauli-Prinzip: WIW - HTL – St. Pölten Besetzung der Elektronenschalen • Hundtsche Regel g WIW - HTL – St. Pölten Elektronenkonfiguration • Mit 4 Quantenzahlen wird jedes einzelne Elektron eines Atoms beschrieben: • Alle Elektronen bis zu diesem äußersten Elektron stellen die Elektronenkonfiguration eines Elementes dar: – bis zum äußersten besetzten Orbital – Hochzahl: Elektronen pro Orbital – Na: 1 2 2s 1s 2 2 2p 2 6 (eigentlich: ( i tli h 2 2px2 2p 2 y2 2p 2 z2) 3s 3 1 WIW - HTL – St. Pölten Elektronenkonfiguration • im PSE das äußerste, energiehöchste des jeweiligen Elementes • Atombau und Periodensystem: – Elemente in gleicher Periode (Zeile) gleiche Anzahl teilweise oder ganz mit Elektronen besetzter Hauptenergieniveaus – Elemente in der gleichen Hauptgruppe (Spalte) - gleiche Anzahl Außenelektronen WIW - HTL – St. Pölten Schreibweisen für Elektronenkonfiguration WIW - HTL – St. Pölten Besetzung der Orbitale 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5 5p 5d 5f 6 6s 6p 6d WIW - HTL – St. Pölten 7s 7p 8s Stabile Ionen • • • • s2-Ionen: Ionen mit Edelgaskonfiguration (H-, Li+, Be2+) s2p6-Ionen: Ionen mit Edelgaskonfiguration g g ((Na+, Ca2+, F-, O2-,,…)) d10-Ionen: Metalle bilden Ionen ohne Edelgaskonfiguration: z.B. Zn2+ 1s22s22p63s23p63d104s2/0 d10s2-Ionen: I M t ll bilden Metalle bild Ionen I ohne h Edelgaskonfiguration: Ed l k fi ti z.B. Sn2+ 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2/0 WIW - HTL – St. Pölten Ionen von Nebengruppen Nebengruppen-Elementen Elementen • • s-Schale als äußerste Schale: 4s / 5s / 6s / 7s Bildung von Ionen: • Elektronen werden zuerst aus dieser s-Schale abgegeben: El2+ • Zusätzliche Abgabe von Elektronen aus höchst besetzter d-Schale: • Beispiele: Beispiele Fe2+/3+ oder Co2+/3+ oder Ni2+/3+ WIW - HTL – St. Pölten 3 Der Aufbau der ATOME 3. Linienspektren und Spektralanalyse Buch Seite 19 WIW - HTL – St. Pölten Elektronenhülle • Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist Li ht Lichtgeschwindigkeit: h i di k it c = 2,9979·108 m/s = λ·ν λ = Wellenlänge in m ν = Frequenz in s-1(Hz) • Max Planck: – h = 6,6262·10-34 J.s (Plancksches Wirkungsquantum). – E = h × ν (Licht als Energie - Lichtquant) WIW - HTL – St. Pölten Spektralfarben WIW - HTL – St. Pölten Wasserstoffatom „angeregte Elektronenzustände“ WIW - HTL – St. Pölten Atomhülle / Lichtquanten nach N. Bohr • Elektron kann zwischen erlaubten Bahnen (Orbitalen) springen, Energiedifferenz zwischen den Bahnen wird in Form von Licht abgegeben (oder aufgenommen) • 1859 Bunsen und Kirchhoff ↔ Linienspektren – G Grundzustand: e- auff tiefstmöglicher f Energiebahn – angeregter Zustand: durch Energiezufuhr werden e- auf höhere Energieniveaus gehoben – nur kurze k Z Zeit i b beständig, ä di e- fällt fäll iin G Grundzustand: d d – bei der Anregung aufgenommene (absorbierte) Energie wird als Lichtquant abgegeben (emittiert) – E = h * ν (Licht (Li ht b bestimmter ti t W Wellenlänge ll lä oder d F Farbe) b ) WIW - HTL – St. Pölten Atomhülle / Lichtquanten nach N. Bohr • • WIW - HTL – St. Pölten Emissionsspektren entstehen, wenn angeregte Atome in den Grundzustand zurückkehren und dabei Lichtquanten einer i b bestimmten ti t E Energie i abgeben b b Absorptionsspektren entstehen, wenn Atome aus dem eingestrahlten Licht Quanten aufnehmen, um in den angeregten g g Zustand überzugehen. g Licht bestimmter Farbe geschwächt, deren Energie zur Anregung geeignet ist. Atomemissionen Element Wellenlänge g λ [nm] ultraviolett / sichtbar / infrarot Ba 553,6 744 (Oxid) 873 (Oxid) Ca 422,7 554 (Oxid) 622 (Oxid) Co 346,6 (Gruppe) 353,0 387,4 Cr 360 5 360,5 427 5 (Gruppe) 427,5 425 5 425,5 Cs 455,5 852,1 894,3 Cu , 324,8 327,4 , 520 ((Oxid)) Fe 373,7 (Gruppe) 386,0 (Gruppe) 385,6 (Gruppe) K 404,7 (D) 766,5 (D) 344,6 (D) Li 670,8 460,3 323,3 Na 330,3 (D) 589,3 (D) 818,3 (D) Rb 420,2 (D) 780,0 794,8 Sr 460,7 821 (B) 407,8 Ti 377 6 377,6 535 0 535,0 276 8 276,8 WIW - HTL – St. Pölten
