Kitabı oku: «Chemie für den Badebetrieb», sayfa 2
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staben: K-(1.Schale), L-(2.Schale), M-(3.Schale), N-Schale (4.Schale) usw.
Das Bohr’sche Atommodell
Die positiv geladenen α-Teilchen durchdringen den Raum, den die Goldatome einnehmen, größtenteils ohne Ablenkung. Nur wenn sie sehr dicht am Kern eines Golda-toms vorbeifliegen, werden sie von dem positiven Kern merklich abgelenkt. Wenn sie einen Atomkern treffen, pral-len sie in die Ausgangsrich-tung zurück.
Modelldarstellung zur Deutung des Streuversuchs
Atome bestehen aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Atomkern: sehr klein, positiv geladen, enthält die Ele-mentarteilchen Protonen (positiv gela-den) und die Neutronen (elektrisch neu-tral).Atomhülle: enthält die Elementar-teilchen Elektronen (negativ geladen).
Ähnlich wie die Planeten um die Sonne krei-sen, bewegen sich die Elektronen um den Atomkern. Im Gegensatz zu den Planeten, von denen jeder eine eigene Bahn hat und jeder einen anderen Abstand von der Sonne hat, hat im Atom nicht jedes Elektron eine eigene Bahn (man nennt das im Atom nicht Bahn, sondern Schale), sondern auf jeder Schale haben mehrere Elektronen Platz.
Auf den verschiedenen Schalen kann sich nur eine begrenzte Zahl von Elektronen-bewegen.
Man bezeichnet die Schalen mit Großbuch-
Der Atomaufbau
Flugbahnen der a-Teilchen
Goldatomkerne
Atomkern
Elektronenhülle
Atomkern
K - Schale (1. Schale)
L - Schale (2. Schale)
M - Schale (3. Schale)
N - Schale (4. Schale)
Atomkern und Atomhülle
Die ersten 4 Elektronenschalen
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Die Besetzung der Elektronenschalen erfolgt nach der Formel:
2 n2 (n = Schalenzahl)
Man erhält auf diese Weise die maximale Elektronenzahl.
1. Schale (K-Schale):
2 n2 n = 1 2 x 1 x 1 = 2 Elektronen (max. auf der 1. Schale)
2. Schale (L-Schale):
2 n2 n = 2 2 x 2 x 2 = 8 Elektronen (max. auf der 2.Schale)
3. Schale (M-Schale):
2 n2 n = 3 2 x 3 x 3 = 18 Elektronen (max. auf der 3. Schale)
4. Schale (N-Schale):
2 n2 n = 4 2 x 4 x 4 = 32 Elektronen (max. auf der 4. Schale)
Die errechnete maximale Elektronenzahl ist ab der 5. Schale ein rein theoretischer Wert, da es Atome mit so vielen Elektronen nicht gibt. Die 3. und die 4.Schale kann maxi-mal nur 18 bzw. 32 Elektronen aufnehmen, wenn es nicht die äußerste Schale, also eine innere Schale ist. (Anwendung bei den Ne-bengruppenelementen im PSE).
Die äußerste Schale kann maximal nur 8 Elektronen aufnehmen.
Ist dieser Zustand erreicht, spricht man auch von der Edelgaskonfiguration (Edel-gaszustand) eines Atoms, da bei Edelgasen (= Elemente der 8.Hauptgruppe im PSE, siehe auch Kapitel 2.1) die äußerste Scha-le grundsätzlich mit 8 Außenelektronen besetzt ist. Die Elektronen der äußersten Schale bezeichnet man auch oft als Außen-elektronen oder Valenzelektronen. (abge-leitet vom lat. valere: den Ausschlag geben, imstande sein; denn nur Außenelektronen sind an chemischen Reaktionen beteiligt).
Zum weiteren Verständnis des Bohr’schen Atommodells berufen wir uns auf Grundla-gen der Elektrotechnik. Alle elektrisch ge-ladenen Teilchen verhalten sich nach dem Grundgesetz der Elektrostatik:
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Ungleichnamige Ladungen zie-hen sich an!
Gleichnamig geladene Teilchen sto-ßen sich ab. Ungleichnamige ziehen sich an.
Die Stärke der Abstoßungskraft nimmt mit zunehmendem Abstand ab.
Der Atomaufbau
Die Kraft der Anziehung bzw. der Absto-ßung lässt mit zunehmendem Abstand der geladenen Teilchen voneinander sehr stark nach.
Protonen und Elektronen ziehen sich also gegenseitig an. Warum fallen die Elekt-ronen dann nicht in den Atomkern zu den Protonen?
Begründung: Die elektrostatische Anzie-hungskraft zum Atomkern hin wird von ei-ner gleichgroßen Kraft vom Atomkern weg neutralisiert, der Zentrifugalkraft. Die um den Atomkern kreisenden Elektronen besit-zen eine bestimmte Energie, die verhindert, dass die Elektronen in den Kern stürzen.
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Die Zentrifugalkraft tritt überall dort auf, wo sich etwas auf seiner Kreisbahn um einen Mittelpunkt bewegt. Das Zusammentreffen von Anziehungskraft und Zentrifugalkraft bewirkt, dass der kreisende Teil weder auf den Mittelpunkt hin fällt noch ganz aus dem Kreis entweicht, sondern auf seiner Kreis-bahn bleibt.
Die Zentrifugalkraft wirkt der An-ziehungskraft entgegen und bewirkt, dass die Elektronen auf ihrer Kreisbahn bleiben
9,11 x 10-28g
Die Masse eines Elektrons ist daher für die Gesamtmasse eines Atoms fast ohne Bedeu-tung und für die Berechnung der Atommas-se zu vernachlässigen.
Die absolute Atommasse (Einheit g) setzt sich daher zusammen aus der Masse der Protonen und der Masse der Neutronen. Sie ist unvorstellbar klein. Ihre Werte bewegen sich zwischen
10-24g und 10-22g
Beispiele: Wasserstoffatom: 1,67 x 10-24 g (Das einfachste Wasserstoffatom hat im Atomkern nur 1 Proton. Die absolute Atom-masse des Wasserstoffs entspricht daher der Protonenmasse).
Kohlenstoffatom: 20 x 10-24g
Größenverhältnisse: Atomkern/Atomhülle
Atomkerne sind sehr klein. Der Durchmes-ser des Atomkerns (10-13 cm) ist mehr als 100.000-mal kleiner als der Durchmesser des gesamten Atoms.
Zum Vergleich:
Wäre der Atomkern so groß wie ein Steck-
nadelkopf von 2 mm Durchmesser, so würde der Durchmesser der Atomhülle 200 Meter betragen. Der sehr kleine Atomkern enthält aber fast die gesamte Masse eines Atoms, während die Elektronenhülle nahezu mas-seleer ist.
Wie schwer sind Atome?
Die Atome aller Elemente (Elemente sind Grundstoffe, die chemisch nicht mehr zer-legbar sind. Sie bestehen aus vielen Ato-men) unterscheiden sich in Größe, Anzahl der Elementarteilchen (= Protonen, Neutro-nen, Elektronen) und Masse.Wie die Größe (siehe Kapitel 1.2), ist die Masse der Ato-me sehr gering.
Absolute Atommasse
Die Masse eines Protons beträgt1,67 x 10-24 g
=0,000.000.000.000.000.000.000.00167g
Die Masse eines Neutrons entspricht etwa der Masse eines Protons.
Die Masse eines Elektrons ist noch rund 2000-mal kleiner als die Masse eines Pro-tons bzw. Neutrons und beträgt
Der Atomaufbau
Bewegungsrichtung des Elektrons
Zentifugalkraft
Elektron
Anziehungs-kraft
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Relative Atommasse
Das Rechnen mit solch unvorstellbar klei-nen Atommassen, wie in Kap.1.3.1 ange-geben ist sehr umständlich. Man ist des-halb international übereingekommen, die Atommassen in einer anderen geeigneteren Einheit anzugeben. Als Bezugsgröße wähl-te man das Kohlenstoffatom, da es beson-ders stabil ist.
Die Atommasseneinheit „1 u“ ist der 12.Teil der Masse des Kohlenstoffa-toms (Kohlenstoffisotops)
[„u“ ist übersetzt aus dem Englischen „unit“ und bedeutet Einheit.]
: links unten an das Elementsym-bol schreibt man die Protonenzahl (auch Kernladungszahl oder Ord-
nungszahl im Periodensystem der Elemente genannt), links oben an das Elementsymbol schreibt man die Massenzahl, die sich aus der Zahl der Protonen und der Zahl der Neu-tronen eines Atoms zusammensetzt.
Isotope: Die Atome eines Elements haben immer die gleiche Protonenzahl; sie unter-scheiden sich aber in der Neutronenzahl und damit auch in der Massenzahl. Solche Atome oder Atomkerne bezeichnet man als Isotope. So besteht z.B. das Element Bor zu 80% aus Atomen mit der Neutronenzahl 6 bzw. Massenzahl 11(u) und zu 20% aus Atomen mit der Neutronenzahl 5 bzw. Mas-senzahl 10(u). Berechnet man nach diesen Angaben die durchschnittliche Massenzahl, so erhält man den Wert 10,8(u). Die errech-nete Massenzahl stimmt mit dem im PSE angegebenen Wert überein. Die im PSE an-gegebene Atommasse (Kommazahl) ergibt sich also aus dem Mischungsverhältnis der verschiedenen Isotope.
Atomaufbau am Beispiel ausgewählter Elemente
1. Beispiel:
Das am einfachsten gebaute Atom ist das Wasserstoffatom. Der Atomkern besteht aus einem einzigen Proton (positiv geladen). Die Kernladungszahl beträgt daher 1+. In der Atomhülle kreist 1 Elektron (negativ) auf einer Schale.
2. Beispiel:
Die Atome des Elementes Helium haben jeweils im Atomkern 2 Protonen und meist 2 Neutronen (siehe Begriff: „Isotop“) Die Atomhülle besitzt ebenfalls 2 Elektronen auf einer Schale.
Das Wasserstoff-Atom hat ein Elektron
Das Helium-Atom hat 2 Elektronen
Der Atomaufbau
Kern mit 1 Proton
1 H Wasserstoff
Kern mit 2 Protonen und 2 Neutronen
2 He Helium
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3. Beispiel:
Die Atome des Elements Lithium haben je-weils im Atomkern 3 Protonen und meist 4 Neutronen. Die Atomhülle besitzt in diesem Fall 2 Schalen. Auf der 1. Schale (K-Scha-le) kreisen 2 Elektronen (sie ist damit voll besetzt und abgesättigt); auf der 2. Schale (K-Schale, äußerste Schale) befindet sich 1 Elektron. Das Lithiumatom hat daher ins-gesamt 3 Elektronen.
4. Beispiel:
Bor-Atom
Das Lithium-Atom hat 3 Elektro-nen
Das Bor-Atom hat 5 Elektronen
Was können Sie aus der Angabe (Chlor) ableiten?
Das Atom enthält 17 Protonen. Die Kernladungszahl beträgt demnach 17+.
Da ein Atom nach außen hin neutral ist, gilt:
Zahl der Protonen im Atomkern ent-spricht Zahl der Elektronen in der Atomhülle
Die Zahl der Elektronen beträgt daher in diesem Fall ebenfalls 17; davon sind:
2 Elektronen auf der 1. Schale (K-Schale)
8 Elektronen auf der 2. Schale (L-Schale)
7 Elektronen auf der 3. Schale (M-Schale, äußerste Schale)
Für alle Atome gilt auch:
Massenzahl = Protonenzahl zuzüglich
Neutronenzahl
Wie in Kapitel 1.3 ausgeführt, resultiert die Atommasse aus dem Mischungsver-hältnis der einzelnen Isotope. Das genaue Mischungsverhältnis ist Tabellen zu ent-nehmen.
So besteht das Element Chlor zu 75,5 % aus Atomen der Massenzahl 37 (u) und zu 24,5 % aus Atomen der Massenzahl 35 (u). Die Atome der Massenzahl 37(u) besitzen im Atomkern 20 Neutronen, die der Massen-zahl 35 (u) haben 18 Neutronen.
[Die Zahl der Protonen bleibt bei allen Ato-men desselben Elements gleich und beträgt in diesem Fall 17.]
Der Atomaufbau
Kern mit 3 Proto-nen und 4 Neut-ronen
3 Li Lithium
Kern mit 6 Protonen und 6 Neutronen
5 B Bor
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Wiederholungsfragen
von 1 cm Durchmesser dargestellt. Wel-chen Durchmesser müsste die dazuge-hörige, in gleichem Verhältnis vergrö-ßerte Atomhülle haben?
9. Das Element Magnesium besteht zu 78,7% aus Atomen der Massenzahl 24(u), 10,1% aus Atomen der Massen-zahl 25(u) und zu 11,2% aus Atomen der Massenzahl 26(u). Berechnen Sie die Atommasse und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem im Periodensystem der Elemente angegebenen Wert!
10. Das K-Atom (Atommasse 39u) enthält 19 Elektronen. Wie groß ist die Ladung des Atomkerns? Wie viele Neutronen sind darin enthalten?
Das Periodensystem der Elemente (PSE)
Ein Element ist ein Grundstoff, der aus Ato-men mit der gleichen Protonenzahl besteht. Reiner Sauerstoff ist z.B. ein Element oder reines Lithium usw. Die Kurzzeichen che-mischer Elemente nennt man Symbole. Sie sind vom lateinischen Wort des Elements abgeleitet.
Beispiele für Kurzzeichen
Element Lateinischer Symbol
Name (Kurzzeichen)
Wasserstoff Hydrogenium H
Eisen Ferrum Fe
Stickstoff Nitrogenium N
Vor etwa 100 Jahren (man kannte damals den Aufbau der Atome aus Protonen, Neu-tronen und auf Schalen kreisenden Elekt-ronen noch nicht), entdeckte man, dass be-stimmte Gruppen von Elementen ähnliche Eigenschaften haben. Der Russe Dimitri
Mendelejew (1834-1907) und der Deut-sche, Robert Meyer (1830-1895), ordne-ten unabhängig voneinander die Elemente nach steigenden Atommassen. Dabei stell-ten sie fest, dass in bestimmten Abständen (Perioden) immer Elemente mit ähnlichen Eigenschaften auftraten und fassten diese in Gruppen zusammen.
Daraus entstand eine regelmäßige Anord-nung von Elementen, das so genannte Peri-odensystem der Elemente (abgekürzt PSE).
Heutzutage sind die Elemente im PSE je-doch nicht nach steigenden Atommassen geordnet, sondern nach steigender Proto-nenzahl. Daher nennt man die Protonen-zahl auch die Ordnungszahl im PSE. Das Periodensystem ist das wichtigste Hilfs-mittel in der Chemie. Es ist unentbehrlich bei der Aufstellung von chemischen Reak-tionsgleichungen.
1. Welche Erkenntnisse brachte der Rutherford‘sche Versuch?
2. Wirken zwischen Neutronen und Elek-tronen anziehende Kräfte?
3. Warum müssen wir annehmen, dass sich die Elektronen in der Atomhülle ständig bewegen?
4. Wie setzt sich die Masse eines Atoms fast ausschließlich zusammen?
5. Wie ist die Elektronenverteilung auf den einzelnen Schalen beim Atom Chlor?
6. Welche Elementarteilchen sind für chem. Reaktionen von Bedeutung?
7. Was versteht man unter der Edelgaskon-figuration eines Atoms?
8. Ein Atomkern werde durch eine Kugel
Periodensystem
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Periodensystem
Periode
Schale
Unter-schale
Gruppe Ia b
Gruppe IIb a
Gruppe IIIb a
Gruppe IVb a
Gruppe Vb a
Gruppe VIb a
Gruppe VIIb a
Gruppe VIIIb(Gruppe VIII)
Gruppe VIIIa(Gruppe 0)
Anzahl
1
1. (K)
1 s
1 HWasserstoff1,0079 1
2 HeHelium4,00260 2
2
2
2. (L)
2 p2 s
3 LiLithium6,941 1
4 BeBeryllium9,01218 2
5 B1 Bor2 10,81
6 C2 Kohlenstoff2 12,011
7 N3 Stickstoff2 14,0067
8 O4 Sauerstoff2 15,9994
9 F5 Fluor2 18,998403
10 NeNeon 620,179 2
8
3
3. (M)
3 p3 s
11 NaNatrium22,98977 1
12 MgMagnesium24,305 2
13 Al1 Aluminium2 26,98154
14 Si2 Silicium2 28,0855
15 P3 Phosphor2 30,97376
16 S4 Schwefel2 32,06
17 Cl5 Chlor2 35,435
18 ArArgon 639,948 2
18
4
3. (M)4. (N)
3 d4 s
19 KKalium39,0983 1
20 CaCalcium40,08 2
21 ScScondium 144,9559 2
22 TiTitan 247,88 2
23 VVanadium 350,9415 2
24 CrChrom 551,996 1
25 MnMangan 554,9380 2
26 Fe 27 Co 28 NiEisen 5 Kobalt 7 Nickel 855,847 2 58,9332 2 58,69 2
18
3. (M)4. (N)
4 p3 d4 s
29 Cu10 Kupfer1 63,548
30 Zn10 Zink2 65,38
1 31 Ga10 Gallium2 69,72
2 32 Ge10 Germanium2 72,59
3 33 As10 Arsen2 74,9216
4 34 Se10 Selen2 78,96
5 36 Br10 Brom2 79,904
36 Kr 6Krypton 1083,80 2
5
4. (N)5. (O)
4 d5 s
37 RbRubidium85,4678 1
38 SrStrontium87,62 2
39 YYttrium 188,9059 2
40 ZrZirkonium 291,22 2
41 NbNiob 492,9064 1
42 MoMolybdän 595,94 1
43 TcTechnetium 6(98) 1
44 Ru 45 Rh 46 PdRuthenium 7 Rhodium 8 Palladium 10101,07 1 102,9055 1 106,42
18
4. (N)5. (O)
5 p4 d5 s
47 Ag10 Silber1 107,868
48 Cd10 Cadmium2 112,41
1 49 In10 Indium2 114,82
2 50 Sn10 Zinn2 116,69
3 51 Sb10 Antimon2 121,75
4 52 Te10 Tellur2 127,60
5 53 I10 Jod2 126,9045
54 Xe 6Xenon 10131,29 2
6
5. (O)6. (P)
5 d6 s
55 CsCäsium132,9054 1
56 BaBarium137,33 2
57 La *)Lanthan 1138,9055 2
72 HfHafnium 2178,49 2
73 TaTantal 3180,9479 2
74 WWolfram 4183,85 2
75 ReRhenium 5186,207 2
76 Os 77 Ir 78 PtOsmium 6 Iridum 7 Platin 9190,2 2 192,22 2 195,08 1
32
5. (O)6. (P)
6 p5 d6 s
79 Au10 Gold1 196,9655
80 Hg10 Quecksilber2 200,59
1 81 Tl10 Thalium2 204,383
2 82 Pb10 Blei2 207,2
3 83 Bi10 Wismut2 208,9804
4 84 Po10 Polonium2 (209)
5 85 At10 Aslat2 (210)
86 Rn 6Radon 10(222) 2
7
6. (P)7. (Q)
6 d7 s
87 FrFrancium(223) 1
88 RaRadium223,0254 2
89 Ac **)Actinium 1227,0278 2
104 RfRutherfordium(261)
105 DbDubnium(262)
106 SgSeaborgium266,1219
107 BhBohrium264,1247
108 Hs 109 MtHassium Meitnerium269,1341 268,1388
*) Lanthanoide
5 d7 s5 f
58 CeCer 2140,12 2
59 PrPraseodym 2140,90 3
60 NdNeodym 2144,24 4
61 PmPromethium 2(145) 5
62 SmSamarium 2150,36 6
63 EuEuropium 2151,96 7
64 Gd 1Gadolinium 2157,25 7
65 TbTerbium 2158,9254 9
66 DyDysprosium 2162,50 10
67 HoHolmium 2164,9304
68 ErErbium 2167,26
69 TmThulium 2168,9342 13
70 YbYtterbium 2173,04 14
71 Lu 1Lutatium 2174,967 14
**) Actinoide
6 d7 s5 f
90 ThTho- 2
rium 2232,0381
91 PaProtacti- 1
nium 2231,03 2
92 UUran 1
2238,02 3
93 Np
Neptu- 1
nium 2
237,0482
94 PU
Plutonium 1
2
(244) 5
95 Am
Ameri- 1
cium 2
(243) 6
96 Cm
Curium 1
2
(247) 7
97Bk
Berke- 1
lium 2
(247) 8
98 Cf
Califor- 1
nium 2
(251) 9
99 Es
Einstein 1
ium 2
(252) 9
100 Fm
Fer 1
mium 2
(257) 11
101 Md
Mende- 1
levium 2
(258) 12
102 No
Nobelium 1
2
(259) 13
103 Lr
Lawren- 1
cium 2
(269) 14
Die in den einzelnen Gruppen unter dem Buchstaben a senkrecht stehenden Elemente sind die Hauptgruppenelemente
Die in den einzelnen Gruppen unter dem Buchstaben b senkrecht stehenden Elemente sind die Nebengruppenelemente
Die in Klammern angegebenen Massenzahlen gehören zu dem jeweiligen Isotop mit der größten Halbwertszeit
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Aufbau des PSE
Im Periodensystem unterscheiden wir Pe-rioden (= waagrechte Reihen) und Grup-pen (= senkrechte Spalten). Es gibt im PSE 7 Perioden und 16 Gruppen (8 Hauptgrup-pen und 8 Nebengruppen).
Den Hauptgruppen werden Namen zu-geordnet:
1. Hauptgruppe: Alkalimetalle
2. Hauptgruppe: Erdalkalimetalle
3. Hauptgruppe: Erdmetalle oder Bor-gruppe
4. Hauptgruppe: Kohlenstoffgruppe
5. Hauptgruppe: Stickstoffgruppe
6. Hauptgruppe: Chalkogene oder Erz-bildner
7. Hauptgruppe: Halogene oder Salzbild-ner
8. Hauptgruppe: Edelgase
Die Haupt- und Nebengruppen werden oft mit römischen Ziffern bezeichnet (I bis VIII).
Die Elemente der gleichen Haupt-gruppe haben gleiche oder ähnliche Eigenschaften.
Die Nummer der Hauptgruppe gibt die Anzahl der Elektronen auf der äußers-ten Schale an.
Die Nummer der Periode gibt die An-zahl der Elektronenschalen an.
Beispiele:
a) Fluor (2. Periode, 7. Hauptgruppe) hat 2 Elektronenschalen; auf der 2. Schale (äußerste Schale) sind 7 Elektronen.
b) Kalium (4. Periode, 1. Hauptgruppe) hat 4 Elektronenschalen; auf der 4. Schale (äußerste Schale) ist 1 Elektron.
Ausnahme: Helium (1. Periode, 8. Haupt-gruppe) hat auf seiner einzigen und deshalb äußersten Elektronenschale keine 8, son-dern nur 2 Elektronen.
Die Gründe, warum das Helium trotzdem zur 8.Hauptgruppe zählt, sind:
Die 1. Schale ist bereits mit 2 Elektronen abgesättigt. Die Atome der Elemente der 8. Hauptgruppe haben alle eine abgesät-tigte Außenschale, d.h. die äußerste Scha-le ist mit 8 Elektronen voll besetzt. Helium zeigt „Edelgaseigenschaften“ z.B. äußerste Reaktionsträgheit.
Nebengruppen
Es gibt 8 Nebengruppen.
Die 8. Nebengruppe enthält in jeder Periode 3 Elemente, alle andern Nebengruppen ent-halten in jeder Periode 1 Element.
Alle Nebengruppenelemente sind Metalle. Die Zahl der Außenelektronen ist bei den Nebengruppenelementen gering (meist 2 Elektronen) und nicht (wie bei den Haupt-gruppen) an der Nebengruppennummer zu erkennen.
Besonderheit bei der Elektronenschalen-besetzung: Die äußerste Schale wird erst mit wenigen Elektronen (meist 2) angefüllt, bevor die darunter liegende, innere Schale aufgefüllt wird. Man spricht auch von der inneren Schalenbesetzung. Bei den Ato-men der Hauptgruppenelemente werden dagegen ausschließlich die äußersten Scha-len aufgefüllt.
Beispiel:
Zink (Zn) Die 4. Schale (Außenschale) wird mit 2 Elektronen angefüllt, bevor die darunter liegende, innere Schale um 10 Elektronen auf 18 Elektronen (max. Elek-tronenzahl der 3. Schale) aufgefüllt wird.
Periodensystem
