Atomphysik für den Schulunterricht Stefan Heusler Nr.5 : Moleküle

Erlaubte Schwingungen des Elektrons im Atom Wie lässt sich die gemessene Ionisierungsenergie verstehen? (Bemerkung: -13,6 e V für das Wasserstoff ist die Grundschwingungsenergie und entspricht somit der Ionisierungsenergie im Wasserstoff )

Der Operator ist mathematisch ein Differentialoperator, der für klassische Schwingungen immer nur „Kraft gleich Masse mal Beschleunigung“ sagt und darauf achtet, dass dieses Gesetz an jedem Ort zu jeder Zeit gilt… Erlaubte Eigenschwingungen des Elektrons im Atom s-Welle: Zwei mögliche Zustände, exisitiert ab n=1 2-Welle: 2 mögliche Zustände p-Welle: Sechs mögliche Zustände, existieren ab n=2 d-Welle: Zehn mögliche Zustände, existieren ab n=3

Atom-Orbitale Die Atom-Orbitale ähneln in ihrem Aufbau dem des Wasserstoff- Atoms. n=1: s-Welle, Zwei Zustände n=3: s, p, d-Welle, 18 Zustände n=2: s & p-Welle, Acht Zustände Allerdings verschieben sich die Energien, z.B. liegt im Gegensatz zum Wasserstoff-Atom für Kalium das n=4 s-Orbital energetisch niedriger als das n=3 d-Orbital. Energie (eV)

Molekül-Orbitale Viele chemische Bindungen lassen sich durch die einfache Regel verstehen, dass abgeschlossene Schalen energetisch günstiger sind. (Für ein Doppelzimmer zahlt man zu zweit weniger Miete als alleine) Gase bestehen aus Atomen (Edelgase) oder Molekülen. In der Luft ist z.B. die mittlere Geschwindigkeit der Moleküle in etwa gleich der Schallgeschwindigkeit (1200km/h). Die Elektronen bleiben aber an das einzelne Molekül gebunden. Bei Flüssigkeiten ist die Dichte so groß, dass die Moleküle sich ständig gegenseitig polarisieren. Die Elektronen bleiben aber an das einzelne Molekül gebunden. Beispiel: In Sauerstoff- und Stickstoff- Molekülen versuchen die Atomkerne, genau acht Elektronen in ihrer Valenzschale zu haben. „Oktettregel, Edelgaskonfiguration“. Die Zahl entsteht aus der Summe aller Elektronen der Schale n=2, also 2s(2 Elektronen)+2p(6 Elektronen).

Temperatur eines Gases Luft besteht aus Sauerstoff (ca. 21%), Stickstoff (ca. 78%) und weiteren Anteilen wie Argon (knapp 1%) und Kohlendioxid (0.04%) Die Verteilungsfunktion von Geschwindigkeiten in einem Gas wird durch die Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung beschrieben. Die mittlere Bewegungsenergie pro Raumrichtung der Gasmoleküle definiert die Temperatur T des Gases (in Kelvin) Der Bolzmann-Faktor skaliert die Einheit Temperatur auf die der mittleren kinetischen Energie der Moleküle. Die Masse m ist die Masse eines Moleküls.

Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Eine gute Animation zur Geschwindigkeitsverteilung findet sich unter Beispiel für die Geschwindigkeitsverteilung von Stickstoffmolekülen. Bei verschiedenen Temperaturen. Bei 29°C (ca. 300 K) liegt Das Maximum bei ca. 420 m/s. (Größenordnung der Schallgeschwindikeit.)