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1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber 2007 1. Atombau und Periodensystem.

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Präsentation zum Thema: "1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber 2007 1. Atombau und Periodensystem."—  Präsentation transkript:

1 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Atombau und Periodensystem

2 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Atombau und Periodensystem 1.1 Historische Entwicklung

3 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Historische Entwicklung Demokrit 400 v.Chr.: atomos - das Unteilbare, Materie besteht aus solchen unteilbaren Einheiten Aristoteles 350 v. Chr.: verwirft Atomtheorie, statt dessen: vier Elemente: Erde, Wasser, Feuer, Luft vier Grundwerte: Kälte, Nässe, Hitze, Trockenheit fünftes Element: Äther (Quintessenz, Energie)

4 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Historische Entwicklung

5 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Historische Entwicklung Boyle : behauptet 1661 in The Sceptical Chymist, dass es Elemente und Verbindungen gibt John Dalton : stellt 1808 in A New System Of Chemical Philosophy die Atomhypothese auf: Elemente bestehen aus unzerstörbaren Atomen, Verbindungen bestehen aus Atomen verschiedener Elemente

6 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Historische Entwicklung. J.J.Berzelius : entwirft 1813 die heutige chemische Schreibweise Ernest Rutherford : stellt 1911 sein Kern-Hülle Modell vor.

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8 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Atombau und Periodensystem 1.2 Aufbau der Atome

9 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Aufbau der Atome Atomare Masseneinheit 1u = 1, g Elementarladung 1, As Kern (Ausdehnung m): Protonen (p + ): 1u, eine positive Elementarladung Neutronen (n): 1u, elektrisch neutral Hülle (Ausdehnung m): Elektronen (e - ) : 1/2000 u, eine negative Elementarladung

10 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Aufbau der Atome Die Zahl der Protonen heißt Ordnungszahl (Z). Sie entspricht auch der Zahl der Elektronen im ungeladenen Atom. Anordnung der Elemente im PSE (Periodensystem der Elemente) nach steigender Ordnungszahl. Jede Ordnungszahl eigenes Elementsymbol: Element: Atome der gleichen Ordnungszahl 1p + H 8p + 92p + O U

11 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Aufbau der Atome Neutronenzahl Protonenzahl, kann aber auch unterschiedlich sein. Die Summe der Protonen und Neutronen (= Anzahl der Kernteilchen) heißt Massenzahl (A). 17p +, 18n 17p +, 20n

12 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Aufbau der Atome Nuklid: genau definiertes Atom, Z und A festgelegt Isotope: gleiche Z, unterschiedliche A Nicht alle Nuklide eines Elements sind stabil zu wenig oder zu viel Neutronen bewirken Kernzerfall (Neutronen wirken als Kleber, sind aber selbst instabil). Man kennt heute etwa 270 stabile und über 1600 instabile bzw. radioaktive Atomkerne.

13 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Aufbau der Atome. Atommasse M: Durchschnittsmasse des natürlichen Isotopengemisches eines Elements. Einheit u, siehe Periodensystem z.B.: 35 Cl 75,53%, 37 Cl 24,47% M = = 35.5 u Umrechnung von u in g unangenehm Wie viele Chloratome wiegen 35,5 g ? Antwort: 1 mol !.

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15 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Atombau und Periodensystem 1.3 Das Mol

16 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Mol Loschmidtsche Zahl N L = Avogadrosche Zahl N A = 6, mol -1 Ein Mol ist die Loschmidtsche Zahl von Teilchen. (vgl. 1 Dutzend = 12 Teilchen) Molmasse M: Die Masse von einem Mol eines bestimmten Teilchens oder einer Verbindung in Gramm pro Mol.

17 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Mol AtommasseMolmasse M Wasserstoffatom (H) Wasserstoffmolekül (H 2 ) Chloratom (Cl) Chlormolekül (Cl 2 ) 1 u 2 g/mol 71 g/mol 35,5 g/mol 1 g/mol 2 u 35,5 u 71 u

18 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Mol Man kann also mit Hilfe einer Waage und eines Periodensystems die Anzahl der Atome in einem Stoff bestimmen ! Beispiele: M (S 8 ) = M (H 2 O) = M(CaCl 2 ) = M(C 6 H 12 O 6 ) = 256,8 g/mol18,0 g/mol 180 g/mol111,1 g/mol

19 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Mol Molzahl n: Gibt die Anzahl der Mole an, Einheit mol m = Mn (m...Stoffmasse in Gramm)

20 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Mol Beispiele: 1) Wie schwer sind 3 mol Ammoniak (NH 3 )? m = n M =3 mol 17 g/mol =51 g

21 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber ) Wie viele Mol enthält 1 kg Wasser ? Wie viele Moleküle sind das ? 1.3 Das Mol n = == 55,55 mol N = n N A = 55,55 mol 6, Teilchen/mol = = 3, Teilchen

22 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Mol. 3) g eines unbekannten weißen Pulvers enthalten 3.7 mol Formeleinheiten. Um welche Substanz handelt es sich ? M = == 58,5 g/mol M (Na) = 23,0 g/molM (Cl) = 35,5 g/mol M (NaCl) = 58,5 g/mol.

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24 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Atombau und Periodensystem 1.4 Modelle der Elektronenhülle

25 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle Das Sphärenmodell: Elektronen mit niedriger Energie: häufig sehr nahe beim Kern Elektronen mit höherer Energie: weitere Ausflüge Ordnung der Elektronen nach steigender Energie (in so genannten Sphären).

26 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle Sphären: kugelförmige Bereiche rund um den Atomkern, wo sich die jeweiligen Elektronen meistens aufhalten (hohe Aufenthalts- wahrscheinlichkeit). Die Größe der Sphären steigt mit der Energie der Elektronen. Hauptquantenzahl n: Nummer der Sphären, Reihung nach steigender Energie. 2n 2 ist die maximale Anzahl von Elektronen, die in einer Sphäre der Nummer n Platz haben.

27 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle Die Sphären werden nun von den jeweils vorhandenen Elektronen von innen nach außen besetzt. Außenelektronen: Elektronen in der äußersten besetzten Sphäre Valenzelektronen: Für die chemische Bindung verantwortlich, hauptsächlich die Außenelektronen

28 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle Das Orbitalmodell: Pauli*-Verbot: innerhalb eines Atoms darf es keine zwei Elektronen mit gleicher Energie geben. Exakte Unterscheidung der Energiestufen nötig vier Quantenzahlen, die zusammen ein Elektron eindeutig charakterisieren. * Benannt nach dem österreichischen Physiker Wolfgang Pauli ( , Nobelpreis f. Physik 1945).

29 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle Orbitale: Aufenthaltsorte für jeweils maximal zwei Elektronen einer Sphäre. Arten der Orbitale: s pdf

30 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle Je nach Art des Orbitals gibt es oft mehrere energiegleiche Orbitale in unterschiedliche Raumrichtungen Platz für mehr Elektronen Orbitalespdf Ab der... Sphäre Anzahl der möglichen Raumrichtungen (= energiegleiche Orbitale) 1357 Platz für... Elektronen12=232=652=1072=14

31 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle Bei dem Orbitalbuchstaben wird auch immer die Zahl der Sphäre mit angegeben: z.B. 1s, 4f, 3d. Gemeint sind immer alle energiegleichen Orbitale einer Sphäre gemeinsam. Aufgefüllt werden nun eigentlich die Orbitale nach steigender Energie, wobei die Energieabfolge der Orbitale nicht immer der Sphärenreihenfolge entspricht: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s,...

32 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle

33 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle Hundsche* Regel: Energiegleiche Orbitale werden von den Elektronen zunächst einfach besetzt. Alle energiegleichen Orbitale einfach besetzt Doppelbesetzung * Benannt nach dem deutschen Physiker Friedrich Hund ( ).

34 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Modelle der Elektronenhülle.

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36 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Atombau und Periodensystem 1.5 Das Periodensystem

37 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem Aufbau des Periodensystems: 1869: Mendelejew und Meyer veröffentlichen Ordnungssystem der Elemente: Elemente mit ähnlichen Eigenschaften werden zu Gruppen zusammengefasst Vorhersage noch nicht entdeckter Elemente (Germanium). Siehe Buch Abb.13.2, 13.3

38 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem Perioden (Zeilen): Reihung der Elemente nach steigender Ordnungszahl (=steigende Elektronenzahl). Bei Besetzung einer neuen Sphäre neue Periode Gruppen (Spalten): Elemente mit gleicher Anzahl Außenelektronen sind in einer Gruppe Gruppen sind Elemente mit ähnlichen Eigenschaften.

39 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem 1.Periode (Energiestufe 1s): 2 Elemente 1s 1... Elektronenkonfiguration, Hochzahl = Elektronenzahl im Orbital 1s 2 H: He:

40 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem 2. Periode (Energiestufe 2s, 2p): 8 Elemente Li: [He] 2s 1...[He] ist die volle Besetzung von Helium, wenig Beitrag zur Bindung [He] 2s 2 2p 2 [He] 2s 2 2p 6 C: Ne:

41 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem 3.Periode (Energiestufen 3s, 3p): 8 Elemente [Ne] 3s 2 3p 3 P:

42 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem 4. Periode (Energiestufen 4s, 3d, 4p): 18 Elemente [Ar] 4s 2 [Ar] 4s 2 3d 3 [Ar] 4s 2 3d 5 Ca: V: Mn:

43 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem [Ar] 4s 2 (3d 10 ) d-Elektronen sind nicht mehr an der Bindung beteiligt 2 Valenzelektronen [Ar] 4s 2 (3d 10 ) 4p 3 Zn: As:

44 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem Das PSE besteht aus Gruppen: s – Block (1., 2. Gruppe), p – Block ( Gruppe): Hauptgruppen d – Block ( Gruppe): Nebengruppen Einerstelle der Gruppennummer: maximale Zahl der Valenzelektronen mit Ausnahme der Gruppen 10 und 11

45 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem 5.Periode (Energiestufen 5s, 4d, 5p): 18 Elemente [Kr] 5s 2 4d 2 [Kr] 5s 2 (4d 10 ) [Kr] 5s 2 (4d 10 ) 5p 3 4d- Elektronen nicht an Valenzen beteiligt Zr: Cd: Sb:

46 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem 6. Periode (Energiestufen 6s, 4f, 5d, 6p): 32 Elemente [Xe] 6s 2 [Xe] 6s 2 5d 1 Element des d-Blocks [Xe] 6s 2 4f 2 Erstes Element des f- Blocks (seltene Erden) Ba: La: Ce:

47 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem [Xe] 6s 2 (4f 14 ) 5d 1 letztes f-Element ? [Xe] 6s 2 (4f 14 ) 5d 2 f-Elektronen nicht valenzfähig [Xe] 6s 2 (4f 14 5d 10 ) 6p 2 f- und d-Elektronen nicht valenzfähig Lu: Hf: Pb:

48 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem 7. Periode (Energiestufen 7s, 5f, 6d, 7p ? ): Fr - Transurane kommen in der Natur nicht vor. Derzeit Elemente bis Ordnungszahl 111 benannt (Roentgenium). Noch nicht bestätigte Entdeckungen bis 118.

49 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Das Periodensystem. Weitere wichtige Informationen im PSE: Metall-Nichtmetall Aggregatzustand Ordnungszahl Atommasse Instabile Elemente Elektronegativität.

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51 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Atombau und Periodensystem 1.6 Eigenschaften einiger Elemente

52 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Eigenschaften einiger Elemente Alkalimetalle Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (= 1.Gruppe außer H) Elektronenkonfiguration: s 1 Eigenschaften: Metalle leicht weich (mit Messer schneidbar)

53 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Eigenschaften einiger Elemente glänzend niedrig schmelzend im metallischen Zustand sehr reaktionsfähig natürliches Vorkommen als einfach positives Ion (z.B. Na +, geringe Reaktionsfähigkeit) Vorkommen:

54 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Eigenschaften einiger Elemente

55 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Eigenschaften einiger Elemente Na und K: Sie sind das 6. bzw. 7.häufigste Element der Erdrinde (jeweils ca. 2.5%). Vorkommen z.B. in Feldspäten (Gesteine), NaCl im Meerwasser Li, Rb, Cs: Häufigkeit nur jeweils % Reaktionen: Reaktion mit Wasser Wasserstoffentwicklung: 2 Na + 2H 2 O 2 NaOH + H 2

56 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Eigenschaften einiger Elemente Edelgase He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (18. Gruppe) Elektronenkonfiguration: s 2 p 6 Eigenschaften: gasförmige, reaktionsträge Nichtmetalle sehr tiefe Schmelz- und Siedepunkte Vorkommen: Ar in der Luft (ca. 1%)

57 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Eigenschaften einiger Elemente Ne, Kr, Xe in der Luft (sehr selten) He in Erdgasvorkommen (im Weltall zweithäufigstes Element !) Rn in Höhlen (natürlicher radioaktiver Zerfall, Heilquellen) Verwendung: Ar als Schutzgas (Schweißen) Ar in Glühbirnen und Leuchtstoffröhren

58 1. Atombau und Periodensystem © Wolfgang Faber Eigenschaften einiger Elemente He als Kühlmittel für Supraleiter He als Füllgas für Ballons Ne, Kr, Xe für spezielle Glühbirnen


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