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Element- und Atombegriff heute

„elementares Gold“Sehr edles, gelb glänzendes und duktiles Metall.Hohe Leitfähigkeit von 312 Wm-1K-1.Hohe Dichte von 19,32 g/cm³.Schmelzpunkt 1064 °C.

„atomares Gold“Ein Atom mit 79 Protonen und 118 Neutronen Im Kern sowie 79 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration[Xe]6s15d10 in der Hülle.

Au196.9679

atomare Sichtelementare Sicht

Entwicklung von Element- & AtombegriffAltertum6.-3. Jhd. v. Chr. Zwei unterschiedliche philosophische Schulen.

Atomistische Lehre (Demokrit, Leukipp)Einführung des Atombegriffes (ατοµοσ = unteilbar). Materie besteht aus kleinsten, nicht weiter teilbaren Einheiten, den Atomen.Es gibt eine begrenzte Anzahl von Atomen. Sie bewegen sich im Raum.

Vierelementlehre (Thales, Heraklit, Platon, Aristoteles)Materie besteht aus vier Elementen. Aristoteles: Einführung von Elementeigen-schaften und der „quinta essentia“, dem Äther, einem alles umgebenden fünften Element. Umwandlungen der Elementedurch Liebe und Hass möglich.

Die Vierelementlehre setzt sich für die nächsten 2 Jahrtausende durch !!

Entwicklung von Element- & AtombegriffMittelalterAb dem 9.Jhd.Hochentwickelte arabische Al-chimie, erst später setzt eine europäische Alchemie ein (vgl. Al-kohol, Al-kali, Al-aun, S´Al-miak, S´Al-peter). Ibn Ruschd (1126): Die Materie ist nur begrenzt physikalisch teilbar.

1200-1600 Blütezeit der Alchemie in Europa.Große Fortschritte auf dem Gebiet der präparativen Chemie, aber brüchiger theoretischer Unterbau. Oftmals Vermischung mit Esoterik und Astrologie (vgl. Quecksilber = mercury[eng.]). Einführen von kryptischen Geheimsprachen zum Hüten der „Erkenntnisse“.

Kupfer ≡ ≡ Venus Eisen ≡≡ Mars Gold ≡≡ Sonne

Wichtige Vertreter sind z.B. Albertus Magnus (1193-1280) oder Thomas von Aquin (1225-1274).

Entwicklung von Element- und AtombegriffNeuzeit1627-1691 Robert Boyle

• Legt dar, dass es nicht vier Elemente –Wasser, Erde, Feuer, Luft – sondernsehr viel mehr Elemente geben muss, um die Vielfalt der Stoffe zu erklären.

• Als Element müssen diejenigeneinheitlichen Stoffe bezeichnen werden, die man auf keine Weise mehr in zweiverschiedene andere Stoffe umwandelnkann.

Entwicklung von Element- und AtombegriffNeuzeit1743-1794 Antoine Lavoisier• Entdeckt eine Reihe von Elementen.• Unterscheidet Stoffe in elementarer Form

(matière) und als Bestandteil in Verbindungen (principe).z.B. Schwefel: matière sulfurique; Sauerstoff: matièreoxygènique; Schwefelsäure: Hier ist das principe

sulfurique – das Schwefelprinzip– mit dem principe

oxygènique – dem säurezeugenden Prinzip wirksam.

• Auch Wärme und Licht sind matière.• Entwickelt die Oxidationstheorie als

Gegensatz zur damals gebräuchlichenPhlogiston-Theorie, einer Weiter-entwicklung des „Äther“-Begriffes vonAristoteles. "Traité élémentaire de chimie" von 1789

Daltonsche AtomhypotheseNeuzeit1803 John Dalton

• Atome sind die kleinsten Teilchen chemischerElemente.

• Atome unterschiedlicher Elemente besitzenunterschiedliche Massen.

• Alle Atome eines Elements sind untereinandergleich.

• Atome werden kugelförmig angenommen.

Daltons Theorie bewährt sich in der Praxis sehr gut. Sie erklärt auch die einige Jahre zuvor aufgestellten stöchiometrischen Gesetze.Nach über 2000 Jahren knüpft damit wieder eine Theorie an die Vorstellungen Demokrits an.

Daltonsche Atomhypothese

Zeitliche Entdeckung der Elemente

Entdeckung vieler neuer Elemente im im 18. & 19. Jhd. (hauptsächlich aufgrund der aufkommenden Elektrizität).

Die Entwicklung des Periodensystems

• Entdeckung vieler neuer Elemente

• Die Kenntnisse über reine Stoffe wurden immer größer.

• Ein Ordnungssystem für die Elemente wurde immer dringlicher.

1817-1829 Einteilen damals bekannter Elemente mit ähnlichenEigenschaften in Triaden durch J.W.Döbereiner, z.B.

Li Ca S ClNa Sr Se BrK Ba Te I

Die Entwicklung des Periodensystems

1864 Der englische Chemiker John A.R. Newlands veröffentlicht das"Gesetz der Oktaven”: Ordnet man die Elemente nach steigendenAtommassen folgt nach jeweils sieben Elementen ein Element,welches dem ersten in seinen Eigenschaften ähnlich ist.

1869 Dimitrij I. Mendelejew und Lothar Meyer formulieren diese Beziehungen schärfer und fassten sie zum Periodensystem der Elemente

zusammen.• Die Elemente werden nach ihrer Masse angeordnet. • Grundlegende Eigenschaften der Elemente wiederholen sich periodisch.

Solche gleichartigen Elemente werden zu Gruppen zusammengefasst.

Aus den bleibenden Lücken schloss Mendelejew auf die Existenz und Eigenschaften von noch fehlenden Elementen. Bald darauf wurde Scandium und Germanium entdeckt. Dies verhalf dem Periodensystems Mendelejews zum Durchbruch.

Frühe Periodensysteme

Urperiodensystem von Mendelejev(1869)

Periodensystemvon Pettenkofer (1900)

Fehler der frühen Periodensysteme

Das Ordnungsprinzip nach Atommassen führt zu offensichtlich falschen Anordnungen der Elemente:

• Argon (Ar) steht demnach in der Gruppe der Alkalimetalle, Kalium (K) steht dagegen bei den Edelgasen.

• Iod (I) steht im PSE vor Tellur (Te), Tellur wird den Halogenenzugeordnet.

• Nickel (Ni) und Cobalt (Co) sowie Protactinium (Pa) und Thorium (Th) tauschen ihre Plätze.

=> Nicht die relative Atommasse ist das Ordnungsprinzip des PSEs,sondern eine andere, mit der Atommasse in Zusammenhang stehendeGröße gibt den Ausschlag.

Atomare Massen

Atomare Massen werden nicht in Gramm angegeben,sondern man führt die Einheit u ein (u=unit):• 1u entspricht 1/12 der Masse eines Atoms des

Kohlenstoffisotops 12C.• 1u = 1.660566*10-27 kg• me = 9.109534*10-31 kg = 5.48*10-4 u• mn = 1.674954*10-27 kg = 1.0087 u• mp = 1.672649*10-27 kg = 1.0087 u

Massendefekt

z.B.: 4He besteht aus 2 1p + 2 1nexperimentelle Masse 4.0015 uberechnete Masse 2 x 1.0073 + 2x 1.0087

= 4.0319 uDifferenz 0.0304 u

E = m c²

Kernbindungsenergie 2.72x1012 J/molpro Nukleon 6.08x1011 J/molZum Vergleich: chemische Bindungen liegen im Bereich 105 J/mol.

Aufbau der Atome und Ordnungsprinzipdes PSE

• Atome bestehen aus einem Atomkern mit Neutronen und Protonen, sowie einer Atomhülleaus Elektronen.

• Neutronen und Protonen bestimmen die Masse des Atoms, die Elektronenmasse kann vernachlässigtwerden.

• Die Zahl der Protonen und Elektronen entsprechen sich,Elektronen können durch chemische Reaktionen aus derHülle entfernt oder hinzugefügt werden (= chemischeReaktion).

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KernladungMassenzahl

lementsymbolLadungszahl(Ionen)E

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hlProtonenza-zahlElektronenollementsymb

ahlNeutronenzhlProtonenzaszahl)hl(OrdnungProtonenza E+

•Die Zahl der Elektronen (und damit die Zahl der Protonen) bestimmt die Natur des Atoms. Die Protonenzahl ist damit das ordnende Prinzip des PSE, nichtdie Atommasse.• Die Zahl der Neutronen und Protonen kann chemisch nicht verändert werden.

• 112 Elementeca. 1900 Nuklide (=unterschiedliche Atomkerne)davon: 340 natürliche

270 stabil⇒ Die meisten Elemente sind Mischelemente!

• 20 Reinelemente (alle außer Beryllium besitzen ungerade Ordnungszahlen): Be, F, Na, Al, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi

Einteilung von Nukliden:

gleich verschieden verschieden Isotope

gleich gleich gleich Isomere

verschieden verschieden gleich Isobare

Protonenzahl(p)

Neutronenzahl(n)

Nukleonenzahl(m = p+n)

Bezeichnung

verschieden gleich verschieden Isotone

Nuklide

modernes Periodensystem

Ist das Periodensystem der Elementeuniversell gültig ?

"Gelegentlich bin ich gefragt worden, wie man so sicher sein kann, dass es nicht irgendwo im Weltall weitere Elemente gibt, die anders

sind, als die im Periodensystem vorkommenden.

Ich habe darauf zu antworten versucht, indem ich sagte, dass dies

etwa der Frage entspricht, woher man weiß, dass nicht irgendwo im Universum noch eine ganze Zahl zwischen 4 und 5 existiert.

Leider gibt es jedoch Leute, die auch dies für eine gute Frage

halten."(Georg Wald, 1964)

Mängel des Bohr´schen Modells

Nachdem sich das Bohr´sche Modell durch Einführung der Postulate nocheinmal behaupten konnte, musste es kurze Zeit später endgültig fallen gelassen werden, denn nicht erklärt werden konnten:

• Linienintensitäten• Feinaufspaltungen• Mehrelektronensysteme• Chemische Bindungen

=> Quantenmechanische Beschreibung der Elektronenhülle notwendig.

Zur Quantenmechanik

„... Es gab eine Zeit, als die Zeitungen schrieben, dass nur zwölf

Menschen die Relativitätstheorie verstehen.Ich bezweifle, dass es jemals solch eine Zeit gab. Es mag eine Zeit

gegeben haben, als dies nur ein Mensch tat – nämlich bevor er

seinen Artikel schrieb. Aber danach, als die Leute begonnen hatten,

den Artikel zu lesen, verstanden viele Menschen die

Relativitätstheorie in der einen oder anderen Weise – sicher mehr als zwölf.

Andererseits, denke ich, kann man sicher sagen, dass niemand die

Quantenmechanik versteht."(Richard Feynman, 1965)