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Zach Christian 2007
AtombauAtombau
Die Welt des ganz Kleinen
Zach Christian 2007
Modellvorstellungen als Modellvorstellungen als VerständnishilfenVerständnishilfen
Stoffebene Teilchenebene
• Elemente sind Grundstoffe
• Atome sind Grundbausteine
• Stoffe können elektrisch geladen sein
• Atome bestehen aus geladenen Elementarteilchen
• Elemente reagieren zu Verbindungen in bestimmten Mengenverhältnissen
• Die Atome verbinden sich in bestimmten Zahlenverhältnissen
Zach Christian 2007
-500
0
500
1000
1500
2000
DEMOKRIT: „Atomos“, das Atom gedacht als unteilbares Teilchen
EPIKUR: „Chem. Bindung“ARISTOTELES: „4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft“
2000 Jahre „Kirchenvakuum“:322 v. Chr. – 1632 n. Chr.Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch übernommen, „Ketzer“ hingerichtet.
DALTON: 1. und 2. VerbindungsgesetzAVOGADRO: Gase, Moleküle
FARADAY: elektrische Natur der Atome
RUTHERFORD: Treuversuche
BOHR; PLANCK, HEISENBERG: Orbitaltheorie
GASSENDI, KEPLER, GALILEI
Zach Christian 2007
Entwicklung der AtommodelleEntwicklung der AtommodelleAtombegriff nach Demokrit (ca. 300 v. Chr.):
Das Atom als philosophisch erdachtes „unteilbares“ Teilchen.
Atomtheorie der Neuzeit nach Dalton (ca.1805): Atome sind die kleinsten, unteilbaren Teilchen der Elemente.
Kern-Hülle-Modell nach Rutherford (1900): Atome bestehen aus geladenen Elementarteilchen, der Atomkern ist nur 1/100.000 des Atoms groß.
Energiestufenmodell nach Bohr (ca. 1920): Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die nach ihrem Energiegehalt in Energiestufen eingeteilt werden können.
Kugelwolkenmodell
quantenmechanisches Orbitalmodell
Zach Christian 2007
Rutherford dringt ins Innere ein...Rutherford dringt ins Innere ein...
Rutherford, Ernest, Lord of Nelson and Cambridge (1871-1937), britischer Physiker, der für seine bahnbrechende Arbeit in der Kernphysik und für seine Theorie zur Atomstruktur den Nobelpreis erhielt.
Anhand von Strahlungsuntersuchungen stellte Rutherford seine Theorie der Atomstruktur auf, in der das Atom erstmalig als dichter Kern mit ihn umkreisenden Elektronen beschriebenwurde.
Zach Christian 2007
Rutherfords VersuchRutherfords Versuch
Radioaktives Präparat
Leuchtschirm
Goldfolie
Radioaktive Strahlen
Zach Christian 2007
Was wäre wenn...Was wäre wenn...
Zach Christian 2007
Was wäre wenn...Was wäre wenn...
Zach Christian 2007
Der Streuversuch Der Streuversuch von Rutherfordvon Rutherford
Das Kern-Hülle-Modell: Atome bestehen aus einem winzigen, positiv geladenen Kern und
einer riesigen, negativ geladenen Elektronenhülle.
Zach Christian 2007
Die Bedeutung von KernteilchenDie Bedeutung von Kernteilchen
Elemente unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Protonen. Neutronen spielen hierbei keine Rolle.
Aufeinander folgende Elemente im PSE besitzen immer genau ein Proton mehr.
Zu jedem Proton muss in der Schale ein Elektron existieren. Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Elementes.
Zach Christian 2007
Die Bedeutung von KernteilchenDie Bedeutung von Kernteilchen
Je Proton benötigt man mindestens ein Neutron, damit der Kern stabil ist.
Bis zum Element 40Ca gilt: je Proton genau ein Neutron, danach werden es mehr.
Bsp.: U238
92
238 Nu - 92 p = 146 n 146 n : 92 p = 1,6
Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt jedes Element auch Neutronen im Kern.
Zach Christian 2007
Der AtomkernDer Atomkern
H He Li Be B C N O
Legende:
ProtonenNeutronen
Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen!
Zach Christian 2007
IsotopeIsotope
H Li C N O
2H 0,015
1H 99,9
3H
6Li 7,57Li 92,5
12C 98,913C 1,1
14N 99,615N 0,4
16O 99,717O 0,118O 0,2
%Nat.Vor-kommen
Aufgabe: entdecke die Definition, was Isotope sind!
Isotop 1 Isotop 1 Isotop 1 Isotop 1 Isotop 1Isotop 2 Isotop 2 Isotop 2 Isotop 2 Isotop 2Isotop 3 Isotop 3 Isotop 3
Zach Christian 2007
Die Bedeutung von KernteilchenDie Bedeutung von Kernteilchen Isotope unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Neutronen.
Es gibt unterschiedliche Zahlen von natürlichen stabilen Isotopen.
Viele Isotope sind instabil und zerfallen, indem sie radioaktive Strahlung abgeben.
Bsp.: β-Zerfall
C146
N147 + e+ e--
Zach Christian 2007
Bohr gliedert die Hülle in Schalen...Bohr gliedert die Hülle in Schalen...
Niels Bohr (1885-1962), dänischer Physiker und Nobelpreisträger, lieferte wichtige und grundlegende Beiträge zur Kernphysik sowie zum Verständnis des atomaren Aufbaus.
Nach Bohr umlaufen die Elektronen den Kern in verschieden großen Bahnen.
Diese nennt er Elektronenschalen und gibt ihnen den Namen K-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schale usw.
Zach Christian 2007
Be
Die AtomhülleDie Atomhülle
H HeLi
B C N OAufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen!
Zach Christian 2007
Das Bohrsche AtommodellDas Bohrsche Atommodell
AtomkernAtomkern
Schale 1 (K)
Verbotene ZoneVerbotene Zone
Schale 2 (L)
Schale 2 (L)
ElektronElektron
Zach Christian 2007
Aufbau der ElektronenhülleAufbau der Elektronenhülle
1. Elektronen kommen in Schalen um den Kern vor.2. In die erste Schale passen zwei Elektronen, in die
zweite mehr.3. Die Zahl der passenden Elektronen erhält man: 2n2, wobei n = Schalennummer n=1 2 Elektronen n=2 8 Elektronen n=3 18 Elektronen4. Die Zahl der Protonen und Elektronen ist immer
gleich.5. Deshalb sind Atome immer neutral.
Zach Christian 2007
Die Elektronenhülle ist in Die Elektronenhülle ist in Energiestufen aufgebautEnergiestufen aufgebaut
Die Elektronen eines Atoms unterscheiden sich in der Entfernung zum Kern und ihrem Energiezustand.
Die Elektronen befinden sich nach diesem Modell in bestimmten Energiestufen (nach Bohr nennt man diese auch „Schalen“).
Die Elektronen der äußersten Energiestufe heißen Außenelektronen, sie spielen für die Chemie die entscheidende Rolle!
Die Elektronenanordnung lässt sich aus dem Periodensystem ablesen: Die Hauptgruppe entspricht der Zahl der Außenelektronen, die Periode entspricht der Zahl der Energiestufen.
Zach Christian 2007
Die Elemente unterscheiden sich Die Elemente unterscheiden sich durch die Masse ihrer Atome....durch die Masse ihrer Atome....
Al2713
Chem. Symbolfür Aluminium
MZ Massenzahl
27 ( + )
13
-
= 14
OZ Ordnungszahl
Zach Christian 2007
und jedes und jedes Proton....Proton....
... kann genau ein Elektron halten!
Zach Christian 2007
Wir bauen das Modell für Aluminium:Wir bauen das Modell für Aluminium:
Al2713
..enthält 27 Nukleonen
..davon sind 13 Protonen, die je 1 Elektron festhalten14 Nukleonen sind also Neutronen
-
1314
K-Schale max. 2 e-
L-Schale max. 8 e-
M-Schale also noch 3 e -
Diese Schale heisst auchValenzschale
Zach Christian 2007
Edelgaskonfiguration? Na ja...Edelgaskonfiguration? Na ja...
Atome sind dann „zufrieden“, wenn sie ihre Valenzschale mit 8 Elektronen gefüllt haben.
Dies erreichen sie, indem sie fehlende Elektronen stehlen oder überzählige abgeben.
Die Valenzschale von Argon ist mit 8 e- voll!
Zach Christian 2007
Regel: 8 wäre schön...Regel: 8 wäre schön...
Atome haben das Bestreben, ihre äusserste Schale voll besetzt zu haben:
K-Schale: 2 e-
L-Schale: 8 e-
M- Schale: 8 e-
Dies erreichen sie durch Bindungen!
SauerstoffatomValenzschale: 6 e-
Gemeinsame Benützung von je 2 e -
Zach Christian 2007
Der Weg zum KugelwolkenmodellDer Weg zum Kugelwolkenmodell
AtomkernAtomrumpf
Kugelwolke, voll besetzt
N
Schreibweisen:
Elektronenformel
N
„Valenzstrichformel“
halb besetztKugelwolke,
Bsp.: ein Stickstoffatom N
Zach Christian 2007
Kugelwolken einfach besetzt
Atomkerne
Kugelwolken doppelt besetzt
Kugelwolkenmodelle der Atome 1. & 2. Periode Kugelwolkenmodelle der Atome 1. & 2. Periode
Zach Christian 2007
2. Periode
3. Periode
Kugelwolkenmodelle der Atome1. Periode
4. Periode
Atomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzt
doppelt besetzt
Kugelwolken
Verhältnisse der Atomradien korrekt
Zach Christian 2007
2. PeriodeLi Be B C N O F Ne
Na Cl3. Periode
Ar
Kugelwolkenmodelle der Atome1. Periode
HeH
S
4. Periode KAtomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzt
doppelt besetzt
Kugelwolken
Verhältnisse der Atomradien korrekt
Zach Christian 2007
2. PeriodeLi Be B C N O F Ne
Na Cl3. Periode
Ar
Kugelwolkenmodelle der Atomeund Lewis-Formeln
1. Periode
HeH
S
4. Periode K
Atomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzt
doppelt besetzt
Lewis-Schreibweise
einfach besetzter Aufenthaltsraum
doppelt besetzte Aufenthaltsräume
Kugelwolken
Verhältnisse der Atomradien korrekt
Zach Christian 2007
2. Periode
3. Periode
Bauplan der HauptgruppenelementeLewis-Formeln
1. Periode
4. Periode
Atomkerne
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzt
doppelt besetzt
Lewis-Schreibweise
einfach besetzter Aufenthaltsraum
doppelt besetzte Aufenthaltsräume
Kugelwolken
Verhältnisse der Atomradien korrekt
Zach Christian 2007
Bauplan der Hauptgruppenelemente
einfach besetzt doppelt besetzt
äußere Begrenzung der Hülle
einfach besetzter Aufenthaltsraumdoppelt besetzte Aufenthaltsräume
Periode
Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe
Periode
Periode
Periode
Zach Christian 2007
Vom Atom zum Molekül...Vom Atom zum Molekül...
Zwei Sauerstoffatome binden sich chemisch zu einem Molekül Sauerstoff.
Beide Atome können so zeitweise 8 Elektronen benützen.
Das Molekül ist der kleinste Teil einer Verbindung!
Zach Christian 2007
Der Weg zur chemischen BindungDer Weg zur chemischen Bindung
AtomkernAtomrumpfElektron
Bsp.: Methan CH4
Zach Christian 2007
Der Weg zur chemischen BindungDer Weg zur chemischen Bindung
AtomkernAtomrumpf
Kugelwolke, voll besetzt
halb besetztKugelwolke,
Zach Christian 2007
Zur SchreibweiseZur Schreibweise
N
H
HH
AtomkernAtomrumpf
Kugelwolke, voll besetzt
halb besetztKugelwolke,
Valenzstrichformel
Bsp.: Ammoniak NH3
Zach Christian 2007
Die DoppelbindungDie Doppelbindung
AtomkernAtomrumpf
halb besetztKugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Die DoppelbindungDie Doppelbindung
AtomkernAtomrumpf
halb besetztKugelwolke,
C C
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Die DreifachbindungDie Dreifachbindung
AtomkernAtomrumpf
halb besetztKugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Die DreifachbindungDie Dreifachbindung
AtomkernAtomrumpf
halb besetztKugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Die DreifachbindungDie Dreifachbindung
AtomkernAtomrumpf
halb besetztKugelwolke,
C C
Kugelwolke, voll besetzt
Zach Christian 2007
Edelgaszustand (Oktettregel)Edelgaszustand (Oktettregel)
Die Edelgase sind reaktionsträge, also chemisch stabil, weil sie keinen Bedarf an zusätzlichen Elektronen haben. Sie haben eine volle äußere Energiestufe.
Dieser Edelgaszustand der Elektronenhülle (Edelgaskonfiguration) wird von allen Atomen angestrebt.
In der jeweils äußersten Energiestufe finden zunächst acht Elektronen Platz. (Ausnahme Helium: zwei).
Zach Christian 2007
Die EN im PeriodensystemDie EN im Periodensystem
Fluor hat die höchste EN.
Es folgen Sauerstoff, Stickstoff und Chlor.
Allgemein nimmt die EN im PSE von links unten nach rechts oben zu (Ausnahme: Edelmetalle)
Zach Christian 2007
IonisierungsenergienIonisierungsenergienDie äußeren Elektronen werden
unterschiedlich stark festgehalten
Ionisierungsenergien der ersten 21 Elemente (in MeV)
hohe Ionisierungs-energien bei den Edelgasen
Niedriege IE bei den Alkalimetallen (I. Hauptgruppe)
IE nimmt von links nach rechts zu